介電彈性體研究前沿及其演化的可視化分析*

鄂世舉，包輝煌，曹建波，張海艇，包昆偉，王武輝

(浙江師范大學 工學院，浙江 金華 321004)

0 引 言

從20世紀90年代初發展起來的電活性聚合物(electroactive polymer，EAP)，其特性是在電刺激作用下會發生大的形狀變化，使得許多科研人員致力于EAP材料的研究，并擴大到高分子材料領域[1]。其中，電子型EAP的介電彈性體材料(dielectric elastomer，DE)廣泛應用于傳感器、致動器、發電機等，具有良好的應用性能[2]。DE可以從環境資源(如海洋能、水流、風能、人體運動等)中獲取能量，由于其具有高能量密度和高轉換效率，使其具有可觀的發展前景[3]。

本研究將以近十年(2008年～2017年)Web of Science(WoS)的SCI核心數據庫收錄的介電彈性體相關研究論文為數據源，分析介電彈性體研究的實力分布，并用CiteSpace信息可視化軟件為分析工具，以可視化的方式顯示介電彈性體研究領域的發展進程與結構關系，對介電彈性體領域的知識基礎、研究熱點及前沿趨勢等進行分析，總結其發展特征與規律，以期為推進我國介電彈性體的研究與應用提供理論依據。

1 數據來源與處理

隨著介電彈性體技術的發展，對介電彈性體的研究越來越多，相應的文獻也在不斷增多。例如，在SCI數據庫中以“dielectric elastomer”為主題詞的文獻由2008年的62篇增長到了2017年8月的163篇，統計折線圖如圖1所示。

圖1 2008年—2017年8月介電彈性體論文數量統計折線圖

本研究以“dielectric elastomer”為主題詞，對2008～2017年間以英語發表的“Article”類文獻進行檢索，共獲得1 423條文獻數據，其中共包含引文9 538條(2017-08-31檢索)。在計量分析中，以1年為單位，將2008～2017年的10年分成10個時段。使用信息可視化軟件CiteSpace(版本號：5.1.R6 SE(64-bit))對這些數據進行分析，CiteSpace可以直接轉換從網絡上保存的數據格式，不需要下載原始文獻數據[4-5]。

2 文獻分析

2.1 機構分布

對發文機構進行分析，可為相關學者了解研究機構的科研實力以及進行科研合作提供指導作用。介電彈性體論文研究機構中，西安交通大學位居榜首，發文88篇，占總比6.18%；哈佛大學次之，發文64篇，占總比4.50%；北京大學化學系和浙江大學并列第三，發文43篇，占3.02%。

2.2 領域分布

本研究對論文所涉及的領域進行了分析，2008年～2017年8月介電彈性體論文排名前五的領域分別為材料科學(Materials Science)、物理學(Physics)、聚合物科學(Polymer Science)、工程學(Engineering)和化學(Chemistry)，其中在材料科學(Materials Science)、物理學(Physics)和聚合物科學(Polymer Science)領域分布最多，分別為569、420和307篇；分布與其他領域的研究論文低于300篇。

3 實驗及結果分析

本研究運行CiteSpace信息可視化軟件，選擇引文(Cited Reference)進行聚類(Cluster)分析，同時設置合適的閾值，運行得到基于文獻共引——突現術語介電彈性體研究可視化分析網絡知識圖譜，如圖2所示。

圖2 共引——突現術語可視化分析網絡知識圖譜

其中包括節點225個，連線966條。這一過程，CiteSpace運行用了9.856 s時間。

3.1 介電彈性體關鍵節點文獻的演進

分析文獻共被引網絡的演進關系，不同文獻聚類之間通過關鍵節點文獻相連接，而這些文獻節點具有很好的中介中心性，起到連接和過渡不同的聚類網絡作用。在由CiteSpace信息可視化軟件得到的文獻共被引網絡的可視化圖譜中，關鍵節點是指中介中心性不小于0.1的節點，圖譜中用紫色外圈表示網絡中的關鍵節點。因此，在上述介電彈性體領域文獻共被引網絡圖譜中，共包含了3個文獻節點(Node)，如表1所示。

表1 介電彈性體研究領域關鍵節點文獻摘要表

這3個關鍵節點都是在2005～2010年發表的論文，分別發表于是《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》、《Physical Review Letters》和《IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation》，不管是在本文所選SCI核心數據庫中，還是在Google學術搜索中，3篇文獻的被引次數都很高，故這3篇論文具有較高的研究價值。

按照關鍵節點在網絡中的中心度大小來看，中心度最大的是SUO Z G在2008年發表在《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》(影響因子：4.255)的《變形電介質的非線性場論》(A nonlinear field theory of deformable dielectrics)。該文在SCI核心數據庫中檢索，被引頻次達到237次(2017-08-31)。在網絡中，其中心度為0.12，是網絡中中心度最大的關鍵節點，同時它連接了幾乎各個時間段的共背引文獻聚類，可見其在網絡中的中心地位。SUO Z G主要對介電彈性體領域的電介質固體的場理論進行研究。SUO Z G的研究假設電介質中的每一個物質粒子都附有一個重量和一個電池，并規定一個虛擬位移場和一個虛擬電壓場。將牛頓力學定律和麥斯威爾法拉第靜電理論作為結果產生，引入機電耦合通過物質定律，在流體介質的極限情況下，該理論恢復了麥斯威爾應力。該理論適用于有限變形，適用于彈性和非彈性介質。隨著理論的應用，SUO Z G討論了彈性介質的材料定律，并研究了疊加在給定場上的無窮小場，包括振動，波傳播和分岔等現象[6]。

在共引網絡中中心度位居第二的是ZHAO X H等人2010年在《Physical Review Letters》(影響因子：7.329)上的發表的《大變形驅動的電介質彈性體理論》(Theory of dielectric elastomers capable of giant deformation of actuation)。該文在SCI核心數據庫中檢索，被引頻次達到155次(2017-08-31)。在網絡中，其中心度為0.10。ZHAO X H主要對介電彈性體領域的電介質材料進行研究。ZHAO X H對兩種不穩定模式的相互作用進行了分析，發現該介質彈性體在

小拉伸下是連續性的，但是在臨界狀態呈現斷崖現象，并用互穿網絡實驗和具有膨脹彈性體的模型驗證了該理論。根據該理論預測，對于具有所需形式的應力拉伸曲線的彈性體，電壓可引起巨變[7]。

共引網絡中心最后一個關鍵節點文獻是CARPI F等人2005年在《IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation》(影響因子：2.115)發表的《用二氧化鈦粉體分散改善有機硅介電彈性體的機電驅動性能》(Improvement of electromechanical actuating performances of a silicone dielectric elastomer by dispersion of titan ium dioxide powder)。CARPI F 主要對介電彈性體領域的電介質材料進行研究。CARPI F研究了通過將高介電陶瓷包裹體嵌入在橡膠基質介質中來提高電介質彈性體驅動的機電材料響應。所研究的聚合物/陶瓷復合材料，與純硅相比，彈性模量降低，以及介電常數增加。測量的低頻介電常數與幾種經典的介電混頻規則一致。將這種材料用作平面致動器的彈性電介質，可以減小驅動電場，從而獲得了在10 V/um下的11%的橫向應變和9 V/um的16.5 kPa的橫向應力，分別比用于類似電刺激的純聚合物基質產生的相應值高出4～8倍[8]。

3.2 介電彈性體研究前沿探測

研究前沿是根據題目、摘要、描述詞和文獻中突現專業詞而確定的。在CiteSpace可視化軟件中，筆者應用前文數據，選擇“keyword”作為節點，節點類型選擇突變專業術語，設置適當的閾值，運行CiteSpace軟件[9]。關鍵詞突變的知識圖譜如圖3所示。

圖3 介電彈性體領域研究前沿關鍵詞突變的知識圖譜

圖3將該領域知識研究前沿從左到右、自上而下地展示出來。通過各時間段之間的連線關系，可以看出各時間段之間的傳承關系，從2008年時區中的節點開始，該領域研究文獻和研究熱點的不斷增長。

主要突變關鍵詞分布統計表如表2所示。

本研究利用CiteSpace中詞頻的變動趨勢，來確定“介電彈性體”領域的研究前沿[10]。由圖3和表2可以看出，中心性在0.01及以上的突變關鍵詞可以歸納為以下幾個方面：

(1)從組成來看，彈性體(elastomer)、納米粒子(nanoparticle)、丙烯酸彈性體(acrylic elastomer)、流體(fluid)、液晶(liquid crystal)、電介質(dielectrics)、鈦酸鋇(barium titan ate)、凝膠(gel)、天然橡膠(natural rubber)將成為電活性聚合物(electroactive polymer (EAP))和介電彈性體(dielectric elastomer (DE))材料領域的研究前沿，通過對介電彈性體材料領域的研究，來尋找出適合研制穩定、高性能介電彈性體基礎材料，為運用于實踐生產具有指導意義；

表2 主要突變關鍵詞分布統計表

(2)從性能來看，電致伸縮(electrostriction)、大變形(large deformation)、高介電常數(high permittivity、high dielectric constant、dielectric constant)、致動應變(actuated strain)、介電光譜(dielectric spectroscopy)、電導率(conductivity)、介電弛豫(dielectric relaxation)將成為介電彈性體性能領域的研究前沿，通過對介電彈性體性能領域的研究，來確定介電彈性體的性能，如變形能力、響應速度、質量、能量密度等，進而運用于人工肌肉、能量回收器、柔性機器人、自適應光學儀器等方面；

(3)從方法來看，模型(model)、排列(array)、加強(reinforcement)、分子動力學(molecular dynamics)、改善(improvement)、功能化(functionalization)、系統(system)、展示(display)將成為介電彈性體研究方法的研究前沿，通過對介電彈性體研究方法的研究，來改善介電彈性體制備工藝、機電能量轉換效率、失效模式等，進而使介電彈性體能在發電方向以及驅動方向的廣泛運用。

4 結束語

本研究對Web of Science核心數據庫中的文獻數據進行了計量分析，利用CiteSpace信息可視化軟件，對近十年來介電彈性體領域研究的文獻進行了可視化分析。經過上述分析研究，得出以下結論：

(1)介電彈性體材料領域的發文數量隨時間呈明顯的增長趨勢，說明該領域正處于大發展時期，從發表論文的機構分布來看，中國和美國在該領域的科研投入較多；

(2)利用信息可視化工具，繪制出介電彈性體領域共引-突現術語可視化分析網絡知識圖譜，得到3篇有顯著影響力的關鍵節點文獻；

(3)通過檢測詞頻變動趨勢顯著的主題詞揭示了介電彈性體材料在組成、性能和方法的研究前沿。

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