近日，西安交通大学化学学院张志成教授团队通过对分子结构设计，得到了具有较大介电常数（11.2）和高击穿场强的新型聚氯乙烯基介电弹性体，实现了低驱动电场下的大应变（85 MV/m应变为-38%）。在相同电场强度下，该材料与现有报道的自支撑介电弹性体相比具有最大的形变量。此外，通过简单工艺制备的自支撑柔性驱动器在低驱动电压（150 V）即可产生明显形变。该研究成果以Dielectric Elastomer with Excellent Electromechanical Performance by Dipole Manipulation of Poly(vinyl chloride) for Artificial Muscles under Low Driving Voltage Application 为题发表在Chem. Eng. J., 2022, 441, 13600上。

  不同于传统的聚硅氧烷、聚丙烯酸和聚氨酯体系，本文首次采用无金属催化还原的方法，得到氯乙烯与乙烯的无规共聚物。其中，氯乙烯含量为42 mol%的共聚物（P(VC-E)-4）是一种热塑性弹性体。其机械性能如图1所示。不论是从单轴拉伸曲线（图1a）还是单轴压缩曲线中（图1b）中，P(VC-E)-4都表现出自发应力变硬的特征。利用橡胶状态方程进行拟合，结果证明，P(VC-E)-4中链长的均方末端距与完全伸直链之比（β=0.098）远高于未拉伸的VHB 4905（β=0.0049），即P(VC-E)-4在拉伸过程中更易产生应力变硬的现象。从聚合物的微观结构来看，P(VC-E)-4中极性的氯乙烯链段因具有部分结晶而充当物理交联点，拉伸变硬则是来源于乙烯链段由螺旋的α构象转变为全反式的β构象（图1c）。

图1.（a）P(VC-E)-4和VHB 4905的单轴拉伸曲线；（b）P(VC-E)-4的单轴压缩曲线；（c）P(VC-E)-4拉伸过程中微观结构变化。

图2.（a）P(VC-E)-4介电温谱；（b）P(VC-E)s和PVC的击穿场强；（c）P(VC-E)s和PVC的泄漏电流密度。

  从图3a中可以看出，P(VC-E)-4在未拉伸条件下，获得了高达-38%@85 MV/m的厚度方向形变。这也是已报道的未拉伸体系中，相同电场强度下的最大电致形变量。利用公式对其电致形变量进行模拟（s_z为厚度方向形变量，而ε₀和ε_r分别为真空和相对介电常数，E为外加电场强度，Y为杨氏模量）。结果发现，当介电常数ε_r取高电场强度下的介电常数值，杨氏模量Y取压缩模量值时，公式模拟值（图3a蓝线）与实测值（图3a黑点）拟合度高。这说明，未拉伸材料具有高击穿电压和大形变与材料的高介电常数和拉伸变硬有关。同时，材料还具有高达0.17 J/cm^-3的弹性能量密度（图3b）和0.79的机电耦合系数（图3c），远高于相同电场下测试的未拉伸的VHB 4905（0.0027 J/cm^-3和0.26）。

图3.（a）P(VC-E)-4和VHB4905的电致形变特性与模拟值；（b）P(VC-E)-4和VHB4905的弹性能量密度与模拟值；（c）P(VC-E)-4和VHB4905的机电耦合系数与模拟值。

  图4a展示了将P(VC-E)-4作为介电弹性体制备一种自支撑的柔性驱动器。该驱动器在直流电场下应变图像如图4b所示，可以看出，该驱动器具有低驱动电压（150 V, 10 MV/m），且在较低电场强度下大形变量（750 V, 50 MV/m）。而在相同电场条件下，未拉伸的VHB 4905形变量过小难以检测。此外，该形变量分别是P(VDF-DB)-500和P(VDF-TrFE-CTFE)形变量的两倍和五倍。由此可见，P(VC-E)-4以其优良的性能，简单的工艺条件拓宽了介电弹性体的种类和应用前景。

    

图4.（a）驱动器在电场下的形变示意图；（b）驱动器在直流电场下应变与电场的关系。

  论文链接https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S138589472201498X

  课题组相关研究：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/zhichengzhang。

  课题长期招收储能电介质、介电弹性体、聚合物铁电压电材料的等方向的硕博研究生。