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  介電彈性體，作為人造肌肉，因其柔軟（<1MPa）、形變量大（>100%）、能量密度高（最高3.4MJ/m³）的特點受到國內外學者的廣泛關注。相比于傳統電磁式電動機，由介電彈性體組成的柔性無磁電機具有輕質、柔軟、可變形、比功率密度高、結構扁平以及無需磁場等優勢。常用于無磁電機的彈性體為商業化VHBTM4910，它楊氏模量高、驅動電場高、粘彈損耗大的缺陷嚴重限制了無磁電機性能的提升。降低楊氏模量可以顯著降低驅動電場，但是模量的降低常常伴隨著材料強度劣化、韌性下降、機械損耗增加等問題。

  近日，清華大學電機系黨智敏教授團隊聯合清華大學機械系趙慧嬋老師提出通過調控大分子交聯劑的分子量降低網絡交聯點官能度、消除應力集中，同時實現低模量（Y~0.073MPa）和高韌性（強度極限達32.2MPa，斷裂伸長率~2400%），并且網絡的介電損耗（tan δ_e=0.0019@1kHz）和機械損耗（tan δ_m=0.21@1Hz，20℃）也都得到有效抑制。

  相對比小分子交聯劑，大分子交聯劑不僅可以完成網絡交聯，還可以將交聯點的官能度由4降為3，有助于降低彈性體的楊氏模量。當大分子交聯劑的相對分子質量和交聯網絡平均分子量相匹配時，可以有效提升交聯網絡的規整度和均勻性，消除應力集中，從而實現高韌性。實驗制備了由分子量不同的交聯劑（=575 g mol^-1、1600 g mol^-1、6800 g mol^-1和28000 g mol^-1）交聯的聚丙烯酸酯介電彈性體，測試并分析討論了其網絡結構和力學性能。其中，由CN9021NS交聯的彈性體其網絡的交聯點平均分子量和交聯劑平均分子量最匹配，具有最低的楊氏模量、最高的斷裂伸長率和韌性。

圖1：均勻雜化網絡的力學性能。a，包含單體、交聯劑和光引發劑的預聚體經紫外光固化形成交聯網絡。b，BAC2單軸拉伸前后對比圖。c，VHB^TM4910，BA-S，BA-M，BA-L和BAC2應力應變曲線對比圖。d，BAC2和已報道的介電軟材料的斷裂強度與模量之比對比圖。e，BAC2和已報道的介電軟材料的韌性對比圖。

  大分子交聯劑作為網絡組成的重要部分，其分子鏈柔性直接影響了彈性體的介電和力學性能。該工作選用的大分子交聯劑CN9021NS中含有柔性的聚醚二醇長鏈段，可以有效降低聚丙烯酸酯基分子鏈的偶極-偶極相互作用，從而抑制介電和機械損耗。

  大分子交聯劑增加了網絡中游離分子鏈的含量，這些分子鏈對聚合物介電性能和力學性能的影響也得到了深入的探究。相比于受交聯點束縛的鏈段，游離分子鏈具有更大的取向極化，可以提高聚合物的介電常數，并不會增加網絡的介電損耗和機械損耗。

  因而，大分子交聯劑交聯的聚合物網絡（BAC2）具有較高介電常數、低楊氏模量、低損耗和高韌性的特點，使得彈性體具有高驅動敏感因子（β=78.8）、低電場下大驅動形變（面積形變18.8%@15MV/m，118%@70MV/m）、高能量密度（0.242MJ/m³）以及快速響應（驅動帶寬>100Hz）、抗疲勞（超50000次循環驅動）。由其制備的無磁電機可以在更低的電場（32MV/m）和更高的驅動頻率（>17Hz）下旋轉，并且在48MV/m的驅動電場下，其轉速、輸出轉矩和輸出功率分別是由VHB^TM4910制備的無磁電機的15倍、6倍和18倍。

圖2：介電彈性體柔性無磁電機機械輸出性能。a，無磁電機的視頻截圖展示完整旋轉過程，其中t和T分別表示時間和周期。b，無磁電機旋轉速度與驅動電場和驅動頻率的關系，嵌入圖為由VHB^TM4910制備的無磁電機旋轉速度的局部放大圖。c，在48MVm^-1下，旋轉速度隨驅動頻率的變化規律。d，無磁電機的輸出轉矩和輸出功率隨轉速的變化規律。

  該工作提出了通過調控大分子交聯劑的分子結構和分子量優化網絡結構，提升介電彈性體驅動性能的策略。低電場下的大驅動形變和高能量密度是軟執行器發展的方向。這里所提出的彈性體組成選擇原則和策略為高性能介電彈性體尤其是可控制備均勻的雜化網絡提供了新的發展思路。該工作以“Soft, tough and fast polyacrylate dielectric elastomer for non-magnetic motor”為題發表在Nature Communications期刊（Nature communications 12, 4517(2021)）。論文的第一作者為清華大學電機系博士生尹麗娟，通訊作者為黨智敏教授，共同通訊作者為清華大學機械系趙慧嬋老師。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-24851-w

  下載：Soft, tough and fast polyacrylate dielectric elastomer for non-magnetic motor