UCLA裴啟兵AFM：基于碳納米管-聚合物雙層電極的穩定高應變介電彈性體驅動器

【研究背景】

基于丙烯酸彈性體的介電彈性體驅動器（DEAs）具有驅動應變大、能量密度高、重量輕等特點，在仿生機器人、觸覺顯示器、可調諧光學和微流體等領域有著廣泛的應用前景。然而，丙烯酸基DEAs表現出較差的可靠性和耐久性，特別是在大應變下，由于操作接近彈性體膜的介電擊穿場，電極的柔韌性和連續性有限。在薄膜加工過程中形成的缺陷，如空隙、不均勻厚度、顆粒和應力集中，也會導致執行器在電壓明顯低于由彈性體場強確定的電壓時因局部擊穿而過早失效，其實際應用受到一定的阻礙。為了解決這個問題，人們探索了各種順應電極來自清除局部擊穿位點（也稱為自愈電極），從而通過存活一定數量的局部擊穿事件顯著延長了DEAs的壽命。然而，它們的自我修復過程總是需要10個多小時才能完成，這對于重新激活DEA來說耗時太長。

【成果簡介】

近日，美國加州大學洛杉磯分校裴啟兵教授報道了一種互穿雙分子層順應電極，該電極包含一薄層水性聚氨酯（WPU），其覆蓋在超薄單壁碳納米管（SWNT）層上。薄的聚氨酯層作為介質阻擋層來抑制空氣中納米管的電暈放電。SWNT+WPU雙層電極具有擊穿部位自清除的能力，提高了DEA在大應變驅動下的容錯性和可修復性。實驗結果顯示，以丙烯酸彈性體為基礎的DEAs實現了在方波電壓下150%面積應變下1000次循環的穩定致動和恒定電壓下5.5h的連續致動。該文章近日以題為“Stable and High-Strain Dielectric Elastomer Actuators Based on a Carbon Nanotube-Polymer Bilayer Electrode”發表在知名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【圖文導讀】

圖一、DEA的制造工藝及應變曲線

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（a）具有柔順電極的200%雙軸預拉伸VHB基DEA的制造工藝。

（b）聚酯基WPU的化學結構及其應力-應變曲線。

（c）在200%雙軸預拉伸VHB膜上施加升高電壓的電致應變函數，該膜兩面都有碳潤滑脂、SWNT、SWNT+WPU、SWNT+CN9021和SWNT+PEDOT電極。

圖二、雙層電極的示意圖及形貌表征

（a-b）襯底上沉積的SWNT電極和襯底上沉積的SWNT+聚合物雙層電極的示意圖。

（c-h）分別為聚合物的外表面和SWNT內表面朝向襯底的沉積雙層順應電極的SEM圖像。

圖三、穩定性試驗

（a）采用SWNT+WPU、SWNT和碳脂電極，在0.05 Hz的3kV方波電壓下，對200%雙軸預拉伸VHB基DEA進行驅動穩定性試驗。

（b-d）SWNT+WPU、SWNT和碳脂電極的200%雙軸預拉伸VHB基DEA在3kV恒定電壓下的致動穩定性試驗。

圖四、高應變下放電自清除

（a）3.4 kV方波電壓下0.05 Hz的實時驅動應變。

（b）采用SWNT+WPU電極的200%雙軸預拉伸VHB基DEAs在3.4kv恒壓下的實時驅動應變和相應電流。

（c）從支持信息中的自清除視頻捕獲的圖像，以及在恒定電壓驅動下通過穿孔形成的孔的SEM圖像。

【結論展望】

綜上所述，作者通過在單壁碳納米管（SWNT）網絡上覆蓋一層薄薄的WPU聚合物層，制備了一種互穿雙層柔性電極。這種雙層電極在3.8kv電壓下可獲得225%的驅動應變。在高應變下發生介質擊穿時，它具有自清除能力，以避免終端擊穿。在恒定電壓下150%驅動應變下運行，致動器至少5.5 h內表現出高穩定性。在0.05 Hz下150%驅動應變下的方波電壓運行下，驅動穩定1000個周期。這種雙層電極解決了裸單壁碳納米管電極的驅動不穩定性問題，因為雙層電極中的單壁碳納米管尖尖嵌在電介質WPU層中。暴露在外的納米管尖端引起的電暈放電可能已經轉變為無聲的、微弱的放電。改進的驅動穩定性應該是使DEAs更接近實際應用的一個重要發展。

文獻鏈接：Stable and High-Strain Dielectric Elastomer Actuators Based on a Carbon Nanotube-Polymer Bilayer Electrode (Adv. Funct. Mater., 2021, DOI:10.1002/adfm.202008321)

本文由大兵哥供稿。

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