介电弹性体发电原理分析及应用
介电聚合物
介电聚合物介电聚合物是一种特殊的聚合物材料，具有良好的电介质性能。
它在电子器件、能源存储、传感器等领域有着广泛的应用前景。
本文将从介电聚合物的定义、特性、制备方法和应用等方面进行探讨。
介电聚合物是一种具有高介电常数和低电导率的聚合物材料。
介电常数是描述材料在电场作用下电极化程度的物理量，而电导率则是描述材料导电性能的物理量。
介电聚合物通常由高分子聚合物和填料组成，填料可以是无机颗粒、有机小分子或纳米材料等。
这些填料可以极大地提高聚合物的介电常数，从而增强材料的电介质性能。
介电聚合物具有许多独特的特性。
首先，它们具有很高的绝缘性能，可以有效地隔离电荷和阻止电流的流动。
其次，介电聚合物具有优异的耐热性和耐化学性，可以在高温和恶劣环境下稳定工作。
此外，介电聚合物还具有较低的介电损耗和较高的介电强度，使其在高频电子器件和高压电力设备中得到广泛应用。
介电聚合物的制备方法多种多样，常见的方法包括溶液法、熔融法和浸渍法等。
溶液法是将聚合物和填料溶解在溶剂中，通过溶液的浇注、喷涂或浸渍等方式制备薄膜或涂层。
熔融法是将聚合物和填料加热熔融后，通过挤出、压延或注塑等方式制备材料。
而浸渍法则是将聚合物浸渍在填料的表面，使其充分渗透和吸附，形成复合材料。
介电聚合物在众多领域具有广泛的应用前景。
首先，在电子器件方面，介电聚合物可以用作电容器、绝缘层、介电波导等关键部件。
其次，在能源存储方面，介电聚合物可以用于超级电容器、锂离子电池等高性能电池材料。
此外，在传感器领域，介电聚合物可以用于温度传感器、湿度传感器等敏感元件。
还有在光学、声学和微机械系统等领域，介电聚合物也有着广泛的应用。
介电聚合物是一种具有高介电常数和低电导率的特殊聚合物材料。
它具有良好的电介质性能，在电子器件、能源存储、传感器等领域有着广泛的应用前景。
通过不同的制备方法，可以获得具有不同性能的介电聚合物材料。
随着科技的不断发展，介电聚合物的研究和应用将会得到更大的突破和拓展，为人们的生活带来更多便利和创新。
液晶弹性体的结构功能一体化研究进展
液晶弹性体的结构功能一体化研究进展目录一、内容简述 (2)1.1 研究背景与意义 (3)1.2 液晶弹性体概述 (4)1.3 结构功能一体化研究的重要性 (5)二、液晶弹性体的基本性质 (6)2.1 液晶骨架结构 (7)2.2 弹性力学行为 (9)2.3 光学性能特点 (10)三、结构与性能关系研究 (11)3.1 构造异构体对性能的影响 (12)3.2 液晶分子排列与性能的关系 (13)3.3 微观结构与宏观性能的关联 (15)四、功能化液晶弹性体的设计 (16)4.1 功能性液晶高分子的设计 (17)4.2 生物相容性与生物降解性液晶弹性体 (18)4.3 光电活性液晶弹性体的开发 (19)五、结构功能一体化实现方法 (20)5.1 聚合物基液晶弹性体的合成技术 (21)5.2 纳米材料增强与纳米复合技术 (23)5.3 功能化液晶弹性体的制备工艺 (24)六、应用领域与前景展望 (26)6.1 在柔性电子领域的应用潜力 (27)6.2 在智能交通等领域的应用前景 (29)6.3 发展趋势与挑战分析 (30)七、结论与展望 (31)一、内容简述随着科技的不断发展，液晶弹性体作为一种新型的功能材料，在各个领域得到了广泛的应用。
液晶弹性体的结构功能一体化研究进展为该领域的发展提供了重要的理论基础和实践指导。
本文将对液晶弹性体的结构特点、制备方法、性能及应用进行详细的阐述，以期为该领域的研究者提供有益的参考。
本文将介绍液晶弹性体的定义、分类及其结构特点。
液晶弹性体是一种具有介观结构的高分子材料，其分子链通过特定的键合方式形成一种类似于液晶的相态。
根据其结构特点，液晶弹性体可以分为线性、非线性、梳状等多种类型。
不同类型的液晶弹性体在力学性能、热学性能和电学性能等方面具有不同的表现。
本文将详细介绍液晶弹性体的制备方法，液晶弹性体的制备方法主要包括溶胶凝胶法、溶液浇铸法、挤出法等。
各种制备方法在得到高质量液晶弹性体的同时，还能满足不同性能需求。
热塑性弹性体TPE在电线电缆中的应用
1台 1台 1台 1台 各1台 1台 1台 1台
三、热塑性材料主要性能测试及方法
• • • • • • • • • • 拉伸性(Tensile properties)-拉伸强度(Ts)和伸长率(Te) 弯曲特性(Flexural Properties)-弯曲强度(Fs)和弯曲模量(Fm) 冲击强度(Impact Strength) 阻燃性(Flammability) 热变形温度(Heat Deflection Temperature) 流动性(Melt Flow Index) 电性能(Electrical Properties) 邵氏硬度(Rockwell Hardness) 比重(Specific Gravity) 模具收缩率(Mold Shrinkage
四、应用在电线外被及绝缘层的弹性体的主要性能要求
TPE用在电线方面的目前主要为低压或直流通信软线。 通常要求 与电缆略有不同。 4.1 电气性能 介电常数﹑耐电压等级、抗静电… 4.2 力学性能
抗张强度﹑伸长率、抗冲击强度
4.3 耐候性能 耐油、耐高温、耐低温、耐臭氧、耐化学物质腐蚀、耐燃等要求 注：详细的测试及要求标准，可参考UL1581电线电缆和软线参考标 准、UL83热塑性塑料绝缘电线电缆、UL质量与同体积的水质量相比所得的比值。 密度是指在一定温度（对于塑料一般指23C ）下，材料单位体积所含的质量 ，用g/cm3表示。
比重和密度不论在意义上还是在数值上都存在一定的差异。比重是材料的成 本方面的重要因素，在材料的生产过程和成型过程中用于调节生产。 经常混合使用，23C时水的密度略小于1，因此两个数值产生略微差异，可以 用下面公式相互换算： 密度=比重0.99756。 实验方法： 比重可以使用已经成型品进行实验，也可以用粉末和颗粒等成型原料进行 测定。和可能产生气泡等空洞的成型原料比较，成型品更适合于进行测试。 使用成型品进行测试时，要等到成型完全收缩以后再进行。 方法一（使用成型品）：将一小块成型品放在比重计上称出其重量后，放 进一定温度的水里重新称取重量，以两者重量之差计算密度。 方法二（使用成型原料）：将一定重量的原材料放入测试小笼子内，先用 高浓度酒精清洗表面杂质后用清水清洗，以与 23C时的重量与体积之差计 算比重。
所有弹性体性能优缺点和应用汇总
所有弹性体性能优缺点和应用汇总序号名称缩写性能特点适合行业或领域1热塑性弹性体SBS是目前产量最大最经济的热塑性弹性体品种。
具有更佳的弹性、手感、色彩丰富，更适合做低硬度产品缺点：耐热、耐氧化性能较差。
用于橡胶制品（如制鞋行业），沥青改性剂，胶黏剂和树脂改性剂等应用中。
2热塑性弹性体SEBS是加氢制得的饱和型SBS。
耐老化、耐臭氧在原性能上大幅提高。
特别适用于户外使用的产品。
缺点：耐热性能、耐油性能差，使用温度范围在-60℃～+100℃之间。
广泛用于手柄、玩具、运动器材、医疗配件等领域。
3热塑性弹性体TPV是动态硫化的EPDM/PP共混物，耐热耐寒，优良的弹性，耐老化、耐臭氧、撕裂强度、耐化学药品，着色性能优异。
可长期在-60℃～+135℃之间温度使用。
广泛用于汽车、船舶、机械配件、胶管胶带及各类工业制品，常用于挤出各类密封条。
4热塑性聚氨酯弹性体TPU突出的耐磨性、高弹性、高机械强度，耐油性极佳，耐曲挠极好，长期使用温度可在-40℃～+120℃之间。
缺点：低硬度的品种较少。
广泛用于汽车也的刹车管、油管、内饰件、电缆、管材、鞋材及运动器械、异型材料等。
5乙烯-醋酸乙烯酯弹性体EVA可长期在175℃高温下使用，优异的阻燃性能和耐油性能，产品在高温状态下压缩变现小。
适合于地铁、高层建筑以及船用高性能无卤阻燃电线电缆和其他密封制品。
6天然橡胶NR 综合性能最好缺点耐老化等性能差，不及其他的合成橡胶。
用于高级飞机轮胎、胶管、胶带、胶鞋、医疗用品、体育用品以及一些其他工业用品。
7丁苯橡胶SBR 综合性能与天然橡胶相当，而磨耗及热老化性能则优于天然橡胶。
与天然橡胶和多种合成橡胶并用，加工性能好，是一种通用橡胶。
大量使用于胶管、轮胎、胶带、胶鞋、以及各种工业橡胶制品。
8顺丁橡胶BR 加工性能好，具有优异的耐磨性和弹性，生热少、耐低温性能好，耐曲挠性也不错。
缺点：撕裂强度低和抗滑性不好。
广泛用于轮胎、胶管、胶带、胶鞋以及其他橡胶制品方面。
人工肌肉
人工肌肉人工肌肉-仿生材料电活性聚合物/人工肌肉0的研究进展李晓锋梁松苗李艳芳王永鑫徐坚*(高分子物理与化学国家重点实验室,中国科学院化学研究所,北京100080)摘要:自古以来,自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。
20世纪中期,人们越来越深刻认识到大自然的启发对于开发新材料和新技术的重要性,从而提出仿生学概念并建立仿生学这一学科。
随着研究的发展,仿生学已成为自然科学的一个前沿和焦点。
进入21世纪以来,随着机器人开发的不断深入以及人们对智能机械系统的强烈需求,作为机器人和智能机械系统驱动关键的人工肌肉已成为仿生领域的研究重点。
电活性聚合物驱动器具有应变高、柔软性好、质轻、无噪声等特点,与肌肉有着极为相似的特性,甚至在一些方面的性能已经超过了肌肉,被公认为是最合适的仿肌肉材料,称之为/人工肌肉0。
近二十年来,在电活性聚合物驱动材料方面取得的研究进展使得仿生的/人工肌肉0研究得以飞速发展。
关键词:仿生;人工肌肉;电活性聚合物;驱动器引言肌肉是生物学上可收缩的组织,具有信息传递、能量传递、废物排除、能量供给、传动以及自修复功能,一直以来就是研究者开发驱动器灵感的来源,人类很早就致力于仿生物肌肉的/人工肌肉0研发。
上世纪50年代,mckibben首次研制了气动驱动器,并发展成为商业上的mckibben驱动器[1],但是作为人工肌肉材料,mckibben驱动器体积大,而且受到辅助系统的限制。
形状记忆合金也被尝试用作人工肌肉材料[2],与同时代的驱动材料相比,具有高能量密度和低比重等特点,但同样存在许多不利因素,如形变不可预知性,响应速度慢以及使用尺寸受限等,这些都制约了其在人工肌肉材料方面的发展。
电活性陶瓷是人工肌肉的另一个备选材料,其响应速度较形状记忆合金快,但是脆性大,只能获得小于1%的应变[3]。
由于受材料的限制,人工肌肉的研究一直出于缓慢发展阶段,直到一类新型材料)))电活性聚合物(electroactivepolymers,eap)的出现。
高压SiC器件封装用有机硅弹性体高温宽频介电特性分析
第 36 卷Biblioteka 12 期刘东明等 高压 SiC 器件封装用有机硅弹性体高温宽频介电特性分析
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revealed, the method of distinguishing low-frequency dispersion process from relaxation polarization process was improved, and an improved Cole-Cole model was introduced. Finally, the influence of temperature on the dielectric response process and dielectric characteristic parameters of organic silicone elastomers was obtained. The results show that with the increase of frequency, the real part of the complex dielectric constant decreases and tends to be stable, while the imaginary part of the complex dielectric constant decreases first and then rises to the peak value. Temperature and frequency have great influence on the dielectric properties of the organic silicone elastomer. Under the condition of high temperature and low frequency, the organic silicone elastomer material has obvious phenomena of low frequency dispersion and charge diffusion. The characteristic parameters of Cole-Cole model at different temperatures are extracted. The relationship of the DC conductivity σdc, the relaxation intensity Δε and the low frequency dispersion strength ξ with temperature satisfies the Arrhenius equation law. The high frequency dielectric constant ε∞ shows an approximate first-order function relationship with temperature and decreases with the increase of temperature; the relaxation time τ decreases with the increase of temperature at high temperature, and its mechanism can be revealed by the double well model. The characteristic parameters obtained in this paper provide data support for insulating design of SiC device package.
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介电弹性体发电原理分析及应用
作者：刘志运周芸悦
来源：《机电信息》2021年第17期
摘要：介电弹性体（Dielectric Elastomer，DE）是一种电活性聚合物，是一种表现出对电场响应的大应变材料。
现介绍了介电弹性体中基质材料的结构特性，并详细分析了介电弹性体发电的基本原理、发电技术及其相比现有传统发电技术所具备的优势。
根据近年来人们对介电弹性体的研究，总结并提出了介电弹性体未来发展中可能存在的问题以及应用前景。
关键词：介电弹性体;发电原理;应用
0 引言
介电弹性体研究自20世纪90年代中期开始，作为一类重要的功能材料，介电弹性体各方面已得到各国学者广泛研究，如非线性光学、铁电、压电元件和电致伸缩性等。
近年来，通过改变形状来响应磁场、电场、压力等外部刺激的聚合物研究越来越多，电活性聚合物可能是被研究最多的一类，介电弹性体作为电活性聚合物的一种，具有张力大、工作原理简单的特点。
介电弹性体在外部电场的刺激下可改变其结构形状或体积。
当物体外部承受电能的刺激动作停止时，即可自动恢复或回到原来的物体形状或缩小体积，从而自动产生机械应力和运动应变，将外部电能自动转化为电动机械的性能，机电转换效率高。
1 介电弹性体中基质材料的结构特征
1.1 聚丙烯酸酯类弹性体
聚丙烯酸酯弹性体，一种由丙烯酸乙酯和其他丙烯酸酯共聚而成的合成橡胶，外加少量（约5%）另一种含有活泼鹵素的化合物，如氯，用于弹性体的其他丙烯酸酯包括丙烯酸正丁酯、丙烯酸甲氧乙酯和丙烯酸乙酯，这些化合物具有良好的耐热、耐臭氧、耐光和耐油性[1]。
目前，使用最广泛的以丙烯酸酯为基础的DES是商用丙烯酸酯材料，如3M商用胶带VHB 4910和VHB 4905。
亚克力材料因其低廉的价格、优异的性能、对顺应电极的良好附着力等优点而受到许多研究者的青睐。
在高预应变水平下，亚克力材料的最大应力和驱动应变分别达到7.7 MPa和380%，预拉伸后亚克力材料的电击穿强度达到了空前的水平[2]。
1.2 硅树脂及其复合材料
为了开发能在低电压下活化的新材料，人们付出了很大的努力。
其方法是提高弹性体的介电常数和降低弹性体的弹性模量。
硅树脂具有使用温度范围广，化学反应活性低，耐氧、臭氧和阳光照射，电绝缘性好，毒性低等特点。
一些商业硅树脂已经被研究，如DEA。
而硅树脂材料的缺点是介电常数较低，因此要增加基础偏置电压和低抗断裂性，这使得处理薄膜成为一个挑战[3]。
近年来，为了提高硅橡胶的介电性能，大量研究工作都集中在提高硅橡胶的介电常数上。
在基体中加入高介电常数陶瓷填料是提高弹性体介电常数的一种常用而简单的方法，常用的填料有钛酸铜钙（CaCu3Ti4O12）、钛酸钡（BaTiO3）、二氧化钛（TiO2）等，高介电常数刚性颗粒的加入使硅橡胶的介电常数显著增加，同时硅橡胶的模量也增加，击穿强度降低。
Zhao 等人将二氧化钛作为高介电常数填料，二甲硅油（DMSO）作为增塑剂对硅橡胶进行改性，制备出高介电常数低模量硅橡胶复合材料。
DMSO的膨胀作用使硅橡胶/TiO2复合材料的模量从820 kPa降低到95 kPa，虽然介电常数也降低了，但模量的降低更为显著，因此硅树脂复合材料的介电常数与弹性模量的比值（εr/Y）增大[4]。
1.3 聚氨酯及其复合材料
大多数聚氨酯弹性体的特征是通过相当弱的分子间力将聚合物长链连接在一起。
由于链的长度和混合，聚氨酯弹性体的分子结构经常被比作“意大利面”。
这些长链对压力反应良好，可以很容易地恢复到原来的形式，而不会撕裂或断裂。
研究表明，以二氧化钛功能化石墨烯填充的聚氨酯介电弹性体作为柔性微驱动器，具有明显的电刺激响应和电场诱导应变。
将纳米TiO2装饰在石墨烯上可以大大提高石墨烯的亲水性
和润湿性，从而改善填料与聚合物之间的界面相互作用。
新型二氧化钛功能化石墨烯-聚氨酯介电弹性体复合材料具有更高的介电常数、更小的损耗模量、更高的击穿强度和更好的电刺激响应，在38.7 V/μm条件下，石墨烯-聚氨酯介电弹性体复合材料的最大电致厚度应变为
72.4%，是石墨烯-聚氨酯复合材料电致厚度应变的1.8倍[5]。
2 介电弹性体发电的基本原理
介电弹性体材料的“应变”是电致伸缩效应和麦克斯韦应力协同效应的结果。
介电弹性体发电原理：发电模式实质上是驱动模式的逆向过程，是将介电弹性体材料形变产生的机械能（弹性势能）转变为电能。
先将电荷以拉伸状态（高电容）放置在薄膜上，当薄膜被允许收缩（低电容）时，薄膜中的弹性应力对电场压力起作用，从而增加电能，在微观层面上，聚合物将相反电极上的相反电荷分开（收缩状态下厚度增加）使相似的电荷在电极内更接近（收缩状态下，平面内面积减小）。
这两种对电荷的改变都增加了电压差，从而增加了储存的电能。
其实现方式上与传统压电材料相似，但原理存在本质区别：（1）即使只有很小的波动或形变，介电弹性体材料都能产生电能，而传统的压电材料通常需要较大的电流或冲击力;（2）在每一循环中，介电弹性体的功率和转换效率均明显比其他压电材料高。
介电弹性体发电原理简化如图1所示。
3 介电弹性体的应用
介电弹性体材料可应用于能源生产（例如与发动机耦合或风力或波浪发电）、人力发电（例如鞋和其他人力发电机）以及一些可用的机械低功率设备，如远程传感器。
介电弹性体为许多此类应用提供了独特的优势，例如高能量密度低，成本低，可以和多种能量源进行直接耦合，无须中间转换环节，并且能够根据不用的应用场景设计特定的功能或形状。
3.1 鞋底发电机
鞋底发电机利用行走过程中产生的机械能使介电弹性体材料发生形变，从而产生电能，行走产生的大部分能量会在脚跟撞击时丢失，所以产生器通常位于脚跟。
该项研究曾使用电磁和压电的脚跟冲击发电机，一个普通人的体重50～100 kg可产生500～1 000 N的力，这导致可用能量估计为1～4 J，这由重量乘以位移得到，更详细的分析将考虑一些因素，比如需要弹性地返回一些机械能以满足鞋子的舒适性（这就减少了可用的能量）以及高于人的体重的动力（这会增加可用能量）。
介电弹性体可直接耦合到脚跟冲击载荷，2～6 mm的位移可以很容易地驱动聚合物达到50%～100%的区域应变，这取决于配置，在实际装置中，每获得能量密度0.2 J/cm3，只需要5 g的聚合物。
多层丙烯酸弹性体在鞋跟尺寸发电装置中的产量表明机电转换良好，该器件的输出能量可高达0.28 J。
鞋底发电机测试正在达到一些便携式应用的有用功率水平。
对于其他人力驱动应用，介电弹性体能够很好地解决由于技术原因或者无法支撑复杂昂贵设备成本的问题。
3.2 波浪能发电装置
振荡水柱型发电装置是目前研究最广泛和应用较成功的波浪能发电设备之一，它主要由一个上下开口的空腔体、空气涡轮和一台发电机组成。
中央空腔下端浸没在海中，上端设有气流通道，形成一个气室。
其工作原理为海浪的波峰从空腔体下端进入整个空腔并对空腔中的气体进行压缩，腔内空气由于压力增大，气体通过上部的气流通道排出;而波谷时，内部的空气压力降低，外部空气就会经由气流通道输送到空腔。
进出空腔的气体驱动空气涡轮旋转，将波浪能转化为机械动能，这种自动化的工作模式使得波浪能设备装置无须与海水接触，可靠性高。
该设备由于基本上处于海平面上，易于安装和保养;其缺点是建设成本较高，空气涡轮转换效率相对较低。
4 结语
介电弹性体具有许多独特的特性，因此具有广泛的应用前景，如致动器、发电机、传感器和可变阻抗装置。
随着技术的发展，介电弹性体的应用越来越多。
从成本和性能的角度来看，介电弹性体是致动器的首选材料，为了实现该功能，必须深入了解介电弹性体的设计问题、性能和操作特性。
在某些情况下，介电弹性体的高电压要求將阻碍其应用，而在其他情况下，高电压可能是一个优势（例如减少传输和连接器损耗）。
在任何情况下，使用介电弹性体都将需要并行开发高效或低成本的电子驱动电路。
[参考文献]
[1] 刘浩亮，于迎春，颜莎妮，等.介电性弹性体的研究进展[J].特种橡胶制品，2011，32（1）：71-74.
[2] 鄂世举，朱喜林，曹建波，等.介电弹性体材料机械能-电能转换特性[J].农业机械学报，2010，41（9）：194-198.
[3] 鄂世举，金建华，曹建波，等.波浪能捕获及发电装置研究进展与技术分析[J].机电工程，2016，33（12）：1421-1427.
[4] 杜冰心.基于电池储能装置的电力系统稳定性分析[D].成都：西南交通大学，2014.
[5] 俞洛伊，刘茜，廖发，等.新型电智能材料-电致动聚合物[J].黑龙江纺织，2015（1）：16-19.
收稿日期：2021-04-01
作者简介：刘志运（1987—），男，河南信阳人，工程师，研究方向：机电系统节能技术、新型功能材料应用技术。