石燁&裴啟兵教授今日Science：請了一作聊聊

材料人編輯小單 1年前 (2022-07-07) 2237瀏覽

【導讀】

介電彈性體（dielectric elastomer，DE）擁有形變大、能量密度高、響應速度快等優勢，從而作為人工肌肉材料被廣泛研究和應用。然而目前最常見的兩類介電彈性體材料，3M公司生產的VHB膠帶和硅橡膠，均存在各自的缺陷。VHB由于高粘彈損耗在較高頻率下性能損失巨大，而硅橡膠的最大應變和介電強度均較小。此外，傳統介電彈性體容易發生電力學失穩（electromechanical instability，EMI），在驅動電壓下持續形變，導致損壞。解決EMI的一種傳統方法是對彈性體薄膜進行預拉伸，然而預拉伸之后的材料需要固定在堅硬的框架上，可加工性大大降低。今日，UCLA石燁博士（第一作者，現為浙江大學研究員）和裴啟兵教授（通訊作者）等人通過采用鏈長顯著不同的兩種交聯劑，合成了具有雙峰分布的新型介電彈性體網絡PHDE。相關研究成果以A Processable, High-performance Dielectric Elastomer and Multilayering Process為題發表在Science上。

有關介電彈性體，我們仍然有很多問題想要了解。此次，材料人很榮幸邀請到文章一作石燁博士進行專訪，讓我們一起來看看課題組是如何通過調控來降低材料的粘彈損耗，以及在無需預拉伸的條件下達到了高致動性能這一突破性的成果是如何實現的。

【專訪】

  1. 研究中是如何想到通過引入氫鍵而達到降低材料的粘彈損耗的目的？氫鍵的調控在介電彈性體的制備中是如何起到作用的？

我們近二十年來一直在嘗試解決大應變介電彈性體粘彈損耗高的問題，從分子鏈結構和分子鏈相互作用的角度出發，先后分別提出了建立雙網絡，塑化調控和引入氫鍵等思路和方法。在前期工作基礎上，我們同時借鑒了水凝膠領域中的一些工作，發現可以制備同時含有共價交聯和動態交聯的介電彈性體，并通過調控相應的密度來得到獨特的機械性質。我們在介電彈性體網絡中額外引入少量的氫鍵，適當降低共價交聯密度，提升高分子鏈的流動性，同時不會顯著影響彈性體的應力-應變特性。

  1. 新型干疊法工藝最大的優勢是什么？這種方法是否可以徹底取代傳統的濕疊法？

我們認為新型干疊法的最大優勢在于高效率、高良率和能夠大面積生產。濕疊法必須將彈性體層和電極層一層一層地制備，而干疊法可以將彈性體薄膜制備、電極噴涂、堆疊等步驟同步進行，類似于流水線生產，將效率大大提高。濕疊法在生產過程中一旦產生缺陷，則整個器件就都失效了，生產前面幾層的努力也都浪費了。我們的干疊法在進行疊層操作之前可以預先檢驗彈性體薄膜和電極的質量，將有缺陷的部分排查出去。此外，干疊法與大面積制備薄膜的生產工藝匹配，未來甚至可以與roll to roll相結合，進行大規模生產。

我們并不認為濕疊法會被完全取代。它在一些場景還是有應用價值，比如在生產微型器件的時候，利用噴涂的方法可以方便地制備微型化、圖案化的致動器陣列。

  1. 介電彈性體的研究，對于我們的科研工作者而言，需要掌握哪些方面的知識，哪些學科在它的發展過程中起到了奠基和關鍵作用？

介電彈性體的研究主要還是基于高分子化學以及高分子物理方面的知識，尤其是高分子材料力學性質方面的研究。此外，介電彈性體的研究與其在致動器方面的應用是分不開的，因此相應的機械控制和電子工程等方面的知識對研究者來說也是至關重要的。

  1. 介電彈性體發展至今，有哪些突破性的進展？在將來，有哪些材料值得予以關注？

其實介電彈性體材料的發展相對緩慢，目前最為常用的材料依然是VHB和少數硅橡膠。但近年來不乏新材料的報道，包括交聯網絡優化后的聚丙烯酸酯、擁有瓶刷狀分子結構的高分子材料、互穿網絡彈性體和高介電常數的彈性體。我們認為將來介電彈性體的發展和應用需要與實際應用場景相匹配，根據不同需求發展具有大應變、高頻響應或者高介電常數的材料。

  1. 2020年，全球介電彈性體市場規模達到了1.5億元，預計2027年將達到2.7億元，您認為介電彈性體商業化中還有哪些亟待解決的痛點，這篇研究成果將為此做出什么樣的貢獻？

我們認為介電彈性體商業化應用中最大的阻礙依然是驅動電壓較高和容易失效。我們的工作則為解決或者說改善這兩個問題提供了可能。首先我們的PHDE在相對較低電壓下就能達到較大應變和能量輸出，并且抑制了EMI，是一種性能全面、十分理想的介電彈性體材料。此外，我們發展的干疊法則為進一步降低薄膜厚度，從而降低驅動電壓提供了可能。利用干疊法，我們可以方便地將超薄的彈性體膜堆疊起來，在降低驅動電壓的同時保證輸出總能量。

【成果掠影】

PHDE具有較小的初始模量（~1.3MPa），從而能達到較高的驅動應變。而在達到臨界應變后，該材料由于網絡中短鏈受到應力作用而硬化，從而抵抗Maxwell應力，抑制EMI并提高器件穩定性。此外，研究人員在彈性體網絡中額外引入少量的氫鍵，降低了材料的粘彈損耗，提升了其高頻響應性能。PHDE在無需預拉伸的情況下達到了190%的最大面積應變，而且在2Hz頻率下仍能保持110%的應變。相應的，測量得到的PHDE的能量密度高達88J/kg，功率密度能達到600W/kg以上。對比而言，自然界生物肌肉的能量密度在0.4到40 J/kg的范圍內，而其功率密度通常低于100W/kg。為了提升介電彈性體致動器（dielectric elastomer actuator，DEA）的總體能量和功率輸出，研究人員進一步開發了干疊法工藝，制備疊層器件。相比傳統的濕疊法，該方法具有效率高、可大面積生產、良率高、性能損失小等優勢。通過干疊法制備得到的10層DEA在2Hz驅動頻率下能達到110%的面積應變，在20Hz下仍能保持60%的應變。基于高性能疊層DEA，研究人員成功研制了蜘蛛型致動器和多功能管狀致動器，展現了PHDE及其疊層器件在柔性機器人、生物醫療器件、可穿戴器件等眾多領域的廣泛應用前景。

【核心創新點】

  1. 合成了具有雙峰網絡分布的新型介電彈性體，并通過調控交聯劑結構、比例以及氫鍵濃度等，在無需預拉伸的條件下達到了高致動性能。
  2. 開發了新型干疊法工藝，制備了高性能疊層介電彈性體致動器以及功能器件。

【數據概覽】

圖1. 具有雙峰分布的新型介電彈性體PHDE的合成以及電致動性能

  • PHDE合成思路示意圖。
  • PHDE合成中所用單體以及交聯劑的分子結構。
  • PHDE以及其他介電彈性體材料的應力應變曲線。
  • PHDE以及其他介電彈性體材料的靜態致動測試結果。
  • PHDE以及未加入AA的DE在2Hz、5kV電壓信號下的循環致動測試。

圖2. PHDE的能量和功率密度。

  • 單層PHDE薄膜的能量密度測試結果。測試所用結構為平面型致動器。
  • 單層PHDE薄膜在不同頻率下的能量密度。
  • 單層PHDE薄膜的在不同頻率下的平均功率密度。
  • PHDE與自然肌肉以及其他介電彈性體材料的性能對比。
  • 單層PHDE致動器用于拋射小球。
  • 基于單層PHDE致動器的彈跳機器人。

圖3. 干疊法制備疊層PHDE致動器

  • 干疊法工藝示意圖。
  • 10層PHDE疊層照片，包含20個致動器器件。
  • PHDE疊層橫截面SEM照片。
  • 單層和10層PHDE靜態致動測試對比。
  • 單層和10層PHDE在不同頻率下致動測試對比。

圖4. 基于疊層PHDE的功能致動器件。

  • PHDE蜘蛛致動器頂起200g砝碼。
  • PHDE管狀致動器制備示意圖。
  • PHDE管狀致動器頂起100g砝碼。
  • 基于PHDE管狀致動器的蠕動泵照片。
  • 基于PHDE管狀致動器的蠕動泵在不同工作條件下的性能。

 

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