新型石墨烯基聚氨酯介电弹性体的制备及其性能研究

发布时间：2022-01-21 15:58

　　介电弹性体材料（DEs）是一类能在外加电场作用下,快速实现电能转化为机械能的智能复合材料。由于它具有电致形变大、响应时间短和可反复使用等特点,DEs在变体机器人、航空飞行器、电驱动器和智能可穿戴等领域有着广泛的应用前景。目前,DEs面临的最大挑战是较低的本征介电常数和过高的驱动电场（大于25 V/μm）,增加了其在实际应用中的局限性。因此,如何实现低电压产生高电致形变量已然成为介电弹性体材料的研究重点和难点。根据介电弹性体驱动理论模型,提高材料介电常数是实现高性能的介电弹性体材料的关键因素,同时在满足应用要求的同时降低其弹性模量。本论文主要研究内容如下。1.“三明治”结构石墨烯复合聚氨酯介电弹性材料的研究。利用经典Hummers法制备得到氧化石墨烯,复合亲水性良好的二氧化钛（TiO2）,制备了高介电常数的“三明治”结构的石墨烯/TiO2/石墨烯的无机复合填料,通过溶液混合法将其与热塑性聚氨酯（TPU）复合浇筑成膜,得到具有隔离结构的石墨烯/二氧化钛-聚氨酯（rGO/TiO2-TPU）介电弹性体复合材料,相应的电导率小于10-8 S·m-1。新型填料在适当增强介电弹性体的介电常数的同时,... 

【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：95 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图１－１常见的介电弹性体材料应用领域示意图??Ｆｉｇ．?１－１?Ｃｏｍｍｏｎ?ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ?ｆｉｅｌｄｓ?ｏｆ?ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｅｌａｓｔｏｍｅｒ?ｍａｔｅｒｉａｌｓ??

?北京化工大学硕士学位论文???Ｉ?１來?Ｉ??ｎ＾４ｍｍｎ０ｗＡｍｗ??Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ?ｍｕｓｃｌｅ?Ｖａｒｉａｎｔ?ａｉｒｃｒａｆｔ??图１－１常见的介电弹性体材料应用领域示意图??Ｆｉｇ．?１－１?Ｃｏｍｍｏｎ?ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ?ｆｉｅｌｄｓ?ｏｆ?ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｅｌａｓｔｏｍｅｒ?ｍａｔｅｒｉａｌｓ??ｕ．ｉ介电弹性体驱动工作机理??Ｖｏｌｔａｇｅ?ｏｆｆ??Ｃｏｍｐｌｉａｎｔ??ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ???．…＂?￣??Ｅｌａｓｔｏｍｅｒ????ｆｉｌｍ?Ｃｏｒｓｓ?ｓｅｃｔｉｏｎａｌ?ｖｉｅｗ??Ｖｏｌｔａｇｅ?ｏｎ??，＂厂ｖ?…贤…??＊Ｔ?Ｃｏｒｓｓ?ｓｅｃｔｉｏｎａｌ?ｖｉｅｗ??图１－２介电弹性体驱动器的工作机理［３】??Ｆｉｇ．?１?－２?Ｗｏｒｋｉｎｇ?ｍｅｃｈａｎｉｓｍ?ｏｆ?ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｅｌａｓｔｏｍｅｒ?ｄｒｉｖｅｒ＊３１??介电弹性体驱动器是夹层结构器件，主要由中间层介电弹性体薄膜和其上下表层??柔性电极所设计组成［６］。如图１－２所示，当在介电弹性体驱动器表面施加外部直流电??场，材料内部的电荷受外加电场作用重新排列，材料出现电荷极化效应，由于在电场??的持续作用下，材料表面的同种电荷逐渐聚集，形成同种电荷排斥现象，宏观表现为??材料横向扩展，纵向收缩变薄，实则是材料内部同种电荷之间互斥，上下表面的电荷??２??

文的研宄内容，主要也??是由于界面极化导致的介电常数变化。??Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ?Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ??Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ??■?Ｉ?■?ｔ?■＿■■■■，?■?■?ｌＬ?？??Ｉ？?？？?Ｉ?｜：｜?Ｈ：｜?ＩＩ?ＩＩ??＼＼Ｓ?＾＼＼?１：１Ｑｑ?ｙ?１１?１１??Ｆｉｘｅｄ?ｃｈａｒｇｅ?Ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ?ｃｈａｒｇｅ?Ｇｒａｉｎ?ｂｏｕｎｄａｎ?ｏｒ??ｍ?■?■?ｉｎｔｅｒｆａｃｅ??Ｍｏｂｉｌｅ?ｃｈａｒｇｅ??（ａ）?（ｂ）?（ｃ）??图１４电介质的界面极化机理图??Ｆｉｇ．?１－４?Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｉｎｔｅｒｆａｃｅ?ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ?ｍｅｃｈａｎｉｓｍ?ｄｉａｇｒａｍ??如图１＊４所示，（ａ）具有数量一致的可移动正离子和固定负离子的晶体材料。在??没有场效应的环境下，晶体全部的正电荷和负电荷之间都存在一定的间隔。（ｂ）在??施加电场的情况下，可移动的正电子向负电极迁移并在那里积累，从而导致电介质中??负电荷和正电荷之间完全隔离。因此，电介质表现出界面极化。（ｃ）不同材料之间??的晶界和界面经常引起界面极化。??１．１．２．３弹性模量??在一定的拉伸范围内，弹性模量是应力应变的比值。由公式１－２可知，电力学敏??感因子与弹性模量成反比，与其介电常数成正比，因此，降低材料弹性模量，同时提??高介电常数，可以得到高电致形变的介电弹性体。另外，在实际的应用中，要求材料??需具有一定的力学强度以满足实际的使用要求［１９］。常见用于降低材料弹性模量的方法??主要有添加增塑剂，比如聚二甲基硅氧烷（ＰＤＭＳ）、丙三醇等多元醇有机小分子，??６??


本文编号：3600564