清華新聞網(wǎng)11月28日電 介電彈性體是一種電活性聚合物，在Maxwell應力下可以產(chǎn)生顯著的可逆形變，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，具有形變量大（>100%）、能量密度高、控制簡單、便于人機交互等優(yōu)勢，在柔性驅(qū)動器領(lǐng)域獲得廣泛關(guān)注。作為電-機能量轉(zhuǎn)換模塊，彈性體的功率密度直接決定了柔性驅(qū)動器的輸出性能。然而，實現(xiàn)高功率密度（>100 W/kg）通常依賴高驅(qū)動電場（>40 MV/m），這對器件的絕緣保障和操作安全提出高要求、限制了介電彈性體柔性驅(qū)動器的應用。介電彈性體的功率密度與驅(qū)動電場近似成4次方關(guān)系。如何在低電場下實現(xiàn)高功率密度是一個具有挑戰(zhàn)性的問題。
目前常用的介電彈性體主要分為兩大類：丙烯酸酯和硅橡膠。丙烯酸酯彈性體具有高能量密度，但響應頻率低；硅橡膠彈性體則與之相反。近期，清華大學電機系黨智敏教授團隊利用分子量差異巨大的兩種交聯(lián)劑構(gòu)建了丙烯酸酯雙模網(wǎng)絡，大分子量交聯(lián)劑賦予彈性體高彈性和較低模量，少量的小分子量交聯(lián)劑縮短交聯(lián)點間平均分子量，加快應力傳導速度，提高彈性體驅(qū)動響應頻率特性（圖1）。該丙烯酸酯彈性體兼具了高能量密度以及可比擬硅橡膠的高驅(qū)動頻率（~200 Hz）。在低驅(qū)動電場下，該雙模網(wǎng)絡彈性體展示了高功率密度（154 W/kg@20 MV/m、200 Hz），超過了哺乳動物骨骼肌的典型值（50 W/kg）。更進一步，研究人員基于該先進材料制備了柔性無磁旋轉(zhuǎn)電機，測試了電機在不同驅(qū)動電場和頻率下的轉(zhuǎn)速特性。在19.6 MV/m、125 Hz的驅(qū)動電場下，該電機轉(zhuǎn)速達到1245 rpm，遠高于目前已報道的丙烯酸酯彈性體電機（<200 rpm@ >40 MV/m）（圖2）。
圖1.丙烯酸酯雙模網(wǎng)絡的構(gòu)建、微觀結(jié)構(gòu)、組成表征
圖2.丙烯酸酯彈性體功率密度特性和柔性旋轉(zhuǎn)電機輸出性能
柔性旋轉(zhuǎn)電機在19.6 MV/m電場下的轉(zhuǎn)動視頻
相關(guān)研究成果以“一種在低電場條件下具有超高功率密度的高響應頻率雙峰網(wǎng)絡聚丙烯酸酯彈性體”（A high-response-frequency bimodal network polyacrylate elastomer with ultrahigh power density under low electric field）為題，于11月13日發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
清華大學電機系博士后尹麗娟為論文第一作者，黨智敏教授為論文通訊作者。合作者還包括機械系、化學系，鄭州大學電氣學院和西安交通大學電氣學院等。研究得到國家自然科學基金委（重點基金、面上基金和青年基金）和中國博士后科學基金等項目的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-54278-y
供稿：電機系
題圖設計：金婭辰
編輯：李華山
審核：郭玲
