介電彈性體材料的研究綜述*

劉志運，江澤華

（1.廣州鐵路職業技術學院機車車輛學院，廣州 510430；2.五邑大學軌道交通學院，廣東江門 529020）

0 引言

介電彈性體（DE，Dielectric Elastomer）材料是在20世紀90年代逐步發展起來的電活性聚合物材料（Electroactive Poltmer，EAP），DE 顯著的特點是在電刺激下材料有很好的形變特性[1]，正因為該材料具有良好的形變特性受到許多科學家和研究人員的青睞，而由于電能刺激形變特點使得該材料能夠在多領域內得以運用。研究發現DE本身還具有耐沖擊、耐疲勞、與機械能量源易于耦合、高斷裂性、固有振動阻尼、大驅動應變等特點，這些特點有利于使該材料應用在惡劣的環境中，相同環境條件下的DE材料相對于普通的機械轉換器、壓電陶瓷材料有更好的形變等特點，因此介電彈性體材料有更廣闊的發展前景。

EAP 材料主要分為電子型和離子型兩類，EAP 材料電子型驅動工作原理主要運用電場或庫侖力原理，EAP材料電場或庫侖力原理所運用材料的種類有電致伸縮彈性體、介電彈性體、鐵電聚合物等[2-3]；EAP 材料離子型驅動原理運用離子的擴散運動或遷移運動[4]，其擴散運動或遷移運動原理所運用材料的種類有碳納米管、導電聚合物、聚合物凝膠、離子聚合物-金屬復合材料等。EAP材料種類繁多應該根據運用的領域不同而進行選擇，該材料在不同領域下有著不同的優缺點。

本文主要闡述了EAP 中介電彈性體材料的研究現狀，分析該材料的特點、發展趨勢，以及該材料實際應用、存在問題與解決方向，對DE 未來的發展提出建議，優化該材料性能擴展在更多的使用領域。

1 介電彈性體材料研究現狀

通過研究發現DE 材料有多種，每一種DE 材料有不同的特性，常用的DE 材料有硅橡膠、硅樹脂、聚氨酯、丁腈橡膠、丙烯酸、天然橡膠、亞乙烯基三氟化乙烯及復合材料[5-14]。DE 材料的參數有很多，主要影響該材料特性主要參數有介電常數、介電強度、楊氏模量、體積電阻率、響應速率、剪切模量及延伸率等。

Kaltseis 等[15]實驗得出DE 天燃橡膠材料比丙烯酸酯材料的特性有更高的楊氏模量、介電強度及斷裂能，因此DE 天然橡膠材料運用于能量收集器有更好的耐疲勞強度及更長的工作壽命。Vucong 等[16]實驗分析DE 雙面膠帶材料與硅膠管材料的特性，得出當溫度在低溫條件下發生形變雙面膠帶材料VHD 比硅膠管材料收集能量的性能更好，當溫度在高溫條件下發生形變硅膠管材料比雙面膠帶材料收集能量的性能更好。Graf等[17]實驗得出，未來研究與發展DE 材料時，在不影響材料性能的前提下對該材料的某個特點參數進行研究以提升材料收集能量水平。Vertechy 等[18]實驗得出DE 合成橡膠材料比天然橡膠材料收集能量的性能更好。

根據DE 材料研究現狀可知，該材料的橡膠和雙面膠帶是目前主流使用，橡膠材料和雙面膠帶材料具有耐腐蝕、耐沖擊、較大的形變特性，使該材料成為主流使用。DE雙面膠帶材料與硅膠管材料相比，雙面膠帶材料適合于低溫條件下工作，硅膠管材料適合于高溫條件下工作，針對DE 材料在不同的環境下工作應選擇適合的DE材料，以達到更好的能量收集效果與驅動性能[19]。

2 介電彈性體材料特點

1880 年Wilhelm Conrad Rontgen 提出了DE 材料的致動機理，該材料兩端產生電極電壓誘導出靜電壓，使其往水平面上擴展延伸，同時該材料在垂直面上收縮變窄。DE材料裝置里有介電彈性體材料和附著在材料上下表面的柔性電極材料組成[20]。該裝置的特性有高速響應、高密度的機械能量、荷載致動大等特點，因此介電彈性體材料有著很好的發展前景，DE模型及致動機理如圖1所示。

圖1 DE模型及致動機理

DE材料裝置的工作機理運用了雙極板電容器裝置致動效應，雙極板電容器裝置致動效應是DE 材料表面產生電極時加載出電荷后，DE材料上、下表面的柔性電極間的電荷相互吸引形成麥克斯韋應力，麥克斯韋應力作用于DE 材料上、下表面，從而實現DE 材料由電能轉換為機械能。

DE 材料能量轉換器的工作原理有多種輸出，Pelrine等研究得出當電容C充電后獲得電荷量Q時，DE 材料隨著電極板電容器力的作用下厚度z和面積A的延申擴展使得電能Ue的微分變化dUe。DE材料體積恒定公式如下：

由式（1）可知，當DE 材料獲得恒定電荷Q時，其表面在任何外力的作用下使得材料厚度增加，從而使該材料采集器收集機械能轉換為電能，工作原理如圖2 所示，DE材料轉換器可以運用于傳感器也可以運用于發電機。DE 材料在外力的作用下使其厚度減小，從而使DE材料轉換器收集電能轉換為機械能，它的逆過程可把DE材料轉換器能看成驅動器使用。

圖2 DE材料發電原理

3 介電彈性體材料的應用

2007 年8 月，國際非盈利獨立研究機構SRI 根據DE材料的特性在海洋實驗方面展開研究，研究出在浮標上安裝電活化聚合物的人工肌肉（EPAM）發電機放在海洋上漂浮，通過EPAM 發電機來收集海浪的運動能轉換為電能。2008 年12 月，SRI 在海洋中研究了浮標式發動機，通過浮標式發動機研究出由海浪的運動轉換為電能可方便存儲在蓄電池中，浮標式發電機將海浪的運動轉換為電能運用的是EPAM 技術，無需安裝復雜的液壓傳動裝置，只需通過簡單的運動部件即可使DE 材料發生變形，將外部運動能轉換為電能，降低浮標式發電機生產成本，實現海浪能量收集。浮標式發電機工作的測試結果顯示，其有合適的電能輸出功率，產生的電能存儲在蓄電池中。浮標式發電機可使用于海浪、瀑布、小溪等環境，使用DE 材料設計這類發電機能輸出更大的功率，機械運動能使得浮標式發電機轉換電能并為各相關領域供電，因而浮標式發電機有廣闊的發展前景。

通過DE 材料在航天航空領域應用的研究，其所具有的優勢逐漸顯示出來，以往航天航空領域的窗口除塵通常使用空間探測器窗口除塵器，其重量大，器械內部結構復雜，經過研究應用DE 材料驅動原理，可制作成空間用智能除塵刷，利用DE 材料制成的空間智能除塵器的特點，如重量輕、內部設計結構緊湊、驅動能耗低、驅動功率低等優點，該特點有利于減輕空間探測器的重量。瑞士聯邦材料測試研究實驗室應用DE 材料驅動原理研究出飛艇驅動器，使得飛艇的轉向能夠自由控制。俄亥俄航天局應用DE 材料的電致活性聚合物對飛行器進行研究設計出固態飛行器SSA[21]。2010 年鄂世舉等[22]對DE 材料的機械能與電能轉換應用于能量收集，得到高效的能量收集與能量轉換效率。與此同時，DE材料驅動應用在不斷發展，對DE 材料在電路與頻率方面進行更深入的研究。2017 年盛俊杰等[23]研究了DE 材料在致動器的非線性動態，能夠很好地補償靜電能和變形阻尼能耗，使DE 材料系統能更好地以恒定振幅振動。2019年鄂世舉等[24]將DE材料應用于海浪發電，由傳統的液壓泵收集動能轉換成電能發展到DE 材料收集動能轉換成電能。2021 年霍怡潔等[25]研究了彎曲形圓柱驅動結構的應用，機器人的一個重要部件是機械手，機械手是機器人的執行機構，機械手在產品的生產及各方面有著廣泛的運用，特別是人類機械手仿生方面是研究的熱門。通過對DE 材料在驅動方面的研究，設計出彎曲形圓柱介電驅動單元，對彎曲形圓柱介電驅動單元進行組裝，構成三爪抓手的機械手，對機械手的抓取性能進行測試[26]。機械手的抓取執行機構主要以3 部分組成，分別有驅動單元、驅動固定單元、吊桿，如圖3所示。

圖3 抓取機構

4 介電彈性體的發展趨勢

4.1 介電彈性體材料在驅動方面研究

DE 材料在驅動方面的研究有仿生、生物醫學、航天航空等方向，該材料在驅動仿生方面的發展應用于仿生機器人。DE 材料仿生特點具有模量高、質量輕、體積小、機械結構簡單和低成本等特點，可應用于導航定位路線、狹小空間工作、限制環境救援等領域。早期DE 材料應用于驅動仿生機器人，2002 年12 月日本大阪Eamex 公司研究出在水中可自由游泳的機械魚[27]。DE 在驅動醫學方面的發展針對手術愈合、擦傷、中風等運動有障礙的患者，如對DE 在驅動方面研究出動態康復矯形器，應用DE 材料的動態康復矯形器幫助患者恢復身體正常運動[28]。DE 材料在航空航天領域具有更高的要求，如Burkitt 等應用硅技術研究出耐溶劑硅樹脂介電彈性體材料、耐溶劑硅樹脂介電彈性體燃料等，用于吸收航空航天熱量的循環應力。

隨著DE 材料在驅動方面研究應用不斷擴展，得到更多行業和研究人員的重視。DE材料在更多領域得到應用，將帶給人們生活更加便捷和提供更多服務。

4.2 介電彈性體材料在發電方面研究

DE材料收集自然界中可再生能源轉換為電能被廣泛研究，其應用于收集海洋能方面具有顯著優勢，可以取代傳統液壓傳動裝置能量轉換器。傳統的液壓傳動裝置如圖4 所示；DE 材料的浮標式海洋能發電機系統的能量轉換器如圖5 所示。DE 材料浮標式海洋能發電機系統專門運用在海浪超過2～3 m 地方，收集海浪的自然能量[29]，應用了EPAM 原理系統，具有結構簡單、轉換效率高、伸縮性好等優點，未來的研究會沿著DE 材料浮標式發電機的EPAM 原理系統特性向著大型海浪和小型波浪方向發展，DE材料浮標式發電機與液壓轉換器相比使收集電能的成本大大降低。未來DE 材料發電機不僅運用于收集海浪能，還會向更多的領域發展，同濟大學陳明[30]基于DE 材料彈性研究出收集自然界風能的電活性聚合物微型發電機，并研究出收集樹葉晃動能、人體運動能、溪流能、河流能等微型能量收集轉換器。DE材料能量轉換器未來可以應用于收集自然界運動能量實現能量回收，從而為解決全球變暖、能源短缺等問題提供解決方案。

圖4 液壓活塞泵

圖5 浮標式海洋能發電機

5 介電彈性體材料應用需要解決的問題

（1）高基礎偏置電壓的限制問題。DE材料每毫米需要用上千伏的電壓來進行驅動，高驅動電壓限制DE 材料的應用范圍。之后的對DE 材料的研究時減少基質厚度以減少驅動電壓，或者應用DE 材料所具有的升壓特性，利用翻轉電荷泵原理的基礎上，使得DE 材料提升的一部分電壓轉換為電荷自偏置形成電壓而不用高電壓源。

（2）提高機電的電能量轉換效率和降低能量損耗問題。DE材料在發電機應用時，由于存在存儲能量裝置損耗、機械在發電過程的損耗、電力電子的損耗、聚合物損耗等，影響發電能量的回收。在后期研究中，如果能夠解決這些問題將可減少應用電壓、電極內阻，從而提高DE 材料發電機的電極導電效率，使得能量轉換時能量在電阻的損耗減少，優化DE 材料發電機機械能轉換成電能的循環過程，從而提高DE 材料發電機的電能量轉換效率。

（3）改善DE 材料的性能。降低彈性模量有利于提高介電彈性體材料驅動的電應變，具體方法可通過添加增塑劑、減小交聯密度的方法來進行。增塑劑是一種高分子材料，有鄰苯二甲酸二辛酯（ESO）、甘油、硅油等材料用于降低DE 材料彈性模量。調整DE 材料里的效網鏈數，減小交聯密度，從而使DE 材料降低彈性模量。DE材料介電常數的提高有利于使該材料電容值增加，從而降低所需的電場強度，獲得更高的電驅動應變。提高介電常數的方法有對DE 材料的基體進行改性進行本征型DE 的制備、復合型DE 材料的制備方法進行提高介電常數。對DE 材料進行化學改性，對DE 材料合成新的成分，進行本征DE 材料的制備，使DE 材料有大極化率的極性基團，從而提高DE 材料的介電常數。復合型DE 材料的制備是通過物理復合的方法進行制備，利用高介電常數的材料與高擊穿強度的聚合物相結合起來，使兩種填料的特點結合起來提高DE 材料的常數，目前常用的材料有無機陶瓷填料與導電填料兩種。當DE 材料的基體中無機陶瓷填料濃度足夠高時，復合材料的介電性能會有明顯的提升，但會使DE 材料的其他性能會有所下降，從而影響DE 材料的電驅動性能。因此，DE 材料需要更進一步地研究出既能提高介電常數又能穩定DE 材料的其他性能。

6 展望

20 世紀末以來，DE 材料被眾多研究人員所研究，該材料經過多年的研究與發展，取得了眾多優秀成果。DE材料有電致形變的特點，在驅動器、傳感器、仿生材料等方面的研究與應用有著很好的發展起點。隨著對自然能源回收方面不斷研究與發展，自然能源回收方面對DE 材料的使用和輔助器件應用也會不斷發展，改善DE材料的彈性性能、對新型DE 材料的發現與制備變得越來越重要，該材料有電致形變能力、驅動效率高、機電轉換效率快的優點，因此，DE材料在自然能源回收方面的應用有著很好的發展潛力。

DE材料有著非線性與幾何形變特點，而且其承受的載荷還具有多場耦合特點，這些特點在機械力場、電場耦合、熱場耦合等方面的應用，而在航天航空、人工智能、機器人等方面有著巨大的發展潛力，但是在商業領域的應用比較欠缺，需在商業領域、服務業領域對DE材料做進一步研究。因此，DE材料在力學性能與電能相結合的發展與研究有著重要的意義，圍繞DE 材料的穩定性與變形深入研究，主要在該材料的基本構成的理論、穩定性、電致形變、許用區域、應用理論、力學非均勻行為、機電相變、耗散理論、動力學理論及其他理論等方面進行研究。通過對DE 材料關鍵技術的理論研究，為該材料未來在更多領域的應用提供理論依據，為后續DE 材料在商業領域、服務業領域進一步應用奠定理論基礎。

7 結束語

基于介電彈性體材料研究，該材料不僅在驅動、發電、仿生學、生物醫學、航空航天等領域發展，在未來還會在更多領域有更加廣闊的發展前景，如商業領域、服務業領域等，使得DE 材料在民用服務領域得到進一步發展，從而使該材料為人類的生活發展、社會進步、能源節約等方面做出更大貢獻。

現有對DE 材料研究基礎上，對介電彈性體材料的研究現狀、特點、應用、發展趨勢、應用等需要解決的問題方面進行了綜述，之后會在未解決領域做進一步研究，優化介電彈性體材料性能，為該材料未來能在更多領域應用提供理論依據。