介電彈性體

介電彈性體是一種新型材料，就是一種加上電壓即可出現形變的電激活聚合物。它能夠用來製作柔軟，輕巧， 具有高能量轉換效率的促動器或發動機，且可以承受很大程度的彈性變形。 科學家們由此對它青睞有加，熱衷於用它製作機器手，軟性機器人，可調鏡頭、氣動閥門以及會扇動的機器翅膀。介電彈性體作為一種新型電致感應智慧型材料，具有較高的機電轉換效率，具有質量輕、價格低、運動靈活、易於成形和不易疲勞損壞等優點，因此自20世紀90年代以來，吸引了不少國內外學者的關注，並且從性能到模型以及在航空航天、醫療衛生和機器人等方面開展了相關的實驗研究

簡介

一種彈性材料

(DielectricElastomers)是具有高介電常數的彈性體材料，其在外界電刺激下可改變形狀或體積；當外界電刺激撤銷後，又能恢復到原始形狀或體積，從而產生應力和應變，將電能轉換成機械能。

介電彈性體作為一種新型電致感應智慧型材料，具有較高的機電轉換效率，具有質量輕、價格低、運動靈活、易於成形和不易疲勞損壞等優點，因此自20世紀90年代以來，吸引了不少國內外學者的關注，並且從性能到模型以及在航空航天、醫療衛生和機器人等方面開展了相關的實驗研究。

種類及性能

截至2015年，可用的介電彈性體包括矽橡膠、丙烯酸酯彈性體、聚氨酯彈性體、丁腈橡膠、亞乙烯基氟化三氟乙烯及它們相應的複合材料。

介電彈性體的性能指標主要包括楊氏模量、介電常數、擊穿電壓和回響速率等。

聚丙烯酸酯類彈性體

介電彈性體

聚丙烯酸酯彈性體具有極大的屈服應變和高彈性能量密度，容易加工，相容性良好，可用於製作多種驅動器設備，但其存在很多問題：

1、驅動電壓較高，每毫米材料的驅動電壓都在千伏級上下，限制了套用範圍；

2、楊氏模量隨溫度變化較大，因此使用條件較為苛刻；

3、應變回響滯後現象嚴重。

這些問題限制了丙烯酸酯類彈性體驅動器的發展。

聚氨酯及其複合材料

Q。M。Zhang等人用銅酞菁齊聚物（Poly－CuPc）／聚氨酯2組分混合物作基體，導電性聚苯胺（PANI）作填料，製成了3組分複合材料。在此複合材料中，高介電常數PolyCuPc微粒（＞106）提高了聚氨酯材料的介電常數，聚氨酯／Poly－CuPc混合物為PANI的高介電基體，進一步提高了介電常數。

矽橡膠及其複合材料

與丙烯酸酯橡膠相比，矽橡膠的彈性較好，因此有更快的應變回響速率，且其模量在較大溫度範圍內保持恆定，可和多種填料複合來改變電性能和機械性能，因此不少學者用矽橡膠作基體製備介電彈性體材料。

存在問題

介電彈性體對高驅動電壓的需要限制了其驅動器的發展與套用，尤其是在生物醫學領域，高驅動電壓對生物體和設備來說都是危險因素。通過使用具有優良機電性能的新型彈性體可能會減小驅動電壓，因此需要研製高介電、低模量的彈性體材料。

在介電彈性體材料的研究中應協調好介電性能與材料模量的關係，這兩個參數往往是對立的，大量添加高介電性填料往往會使材料模量升高，機電性能不會有較好的改善；同時還要處理好介電性能與擊穿電壓的關係，增加具有導電性的填料用量往往會使擊穿電壓下降。

發展前景

截至2015，這種材料的研究課題主要集中在丙烯酸酯和矽橡膠複合材料方面，但丙烯酸酯的模量隨溫度變化較大，並具有粘彈性，應變回響緩慢，因此矽橡膠複合材料更有套用前景。

研究進展

（左）轉動關節的結構。（右）用來測量關節轉動的系統。

2015年4月，發表在美國物理聯合會《套用物理快報》的一篇研究文章中，來自中國哈爾濱工業大學威海分校和美國加州大學洛杉磯分校的研究者們闡述了他們在介電彈性體中發現的一個新的共振現象：基於介電彈性體材料的人造關節能夠實現負角度彎曲，即能夠上下扇動，如鳥類的翅膀。

以往的研究者們通常用穩定電壓激活人造關節的運動以研究其運動規律，穩定電壓只能使人造關節彎曲在某一個固定的角度，而他們則想了解人造關節在周期性變化的交變電壓中是如何運動的。他們發現交變電壓可以使人造關節在不同的角度連續彎曲。尤其，當人造關節的轉動慣量或者所施電壓大到一定程度時，關節可以實現負角度彎曲，也就是大於90度角至180度的彎曲，同時也將遵循一種不同於常規振動的特殊規律。這種新的現象使介電彈性關節成為製作輕軟型機器翅膀的候選材料。介電彈性材料的發動機比電力發動機有著更高的能量轉換率（60%到90%的能量轉換），因此這樣的人造翅膀要比電力翅膀更有效率。