寧夏大學(xué)冒杰/清華大學(xué)黨智敏合作ACS Nano：超高性能介電彈性體

隨著軟體機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)其核心驅(qū)動(dòng)部件——介電彈性體執(zhí)行器的性能要求日益提高。傳統(tǒng)介電彈性體材料，如常用的VHB丙烯酸酯彈性體，受限于其固有特性，往往存在擊穿強(qiáng)度不足和機(jī)械損耗過(guò)高的問(wèn)題，難以滿足先進(jìn)機(jī)器人對(duì)高能量密度和高功率密度的嚴(yán)苛需求。如何通過(guò)提升介電擊穿強(qiáng)度來(lái)同時(shí)獲得大電致變形、高能量密度和高功率密度的介電彈性體，一直是該領(lǐng)域面臨的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

近日，寧夏大學(xué)冒杰副教授、清華大學(xué)黨智敏教授合作提出了一種普適性策略，通過(guò)將有機(jī)分子半導(dǎo)體引入聚丙烯酸酯彈性體網(wǎng)絡(luò)，成功實(shí)現(xiàn)了材料性能的飛躍。該設(shè)計(jì)同時(shí)賦予了材料高擊穿強(qiáng)度、理想的模量和彈性以及巨大的電致驅(qū)動(dòng)應(yīng)變。優(yōu)化后的彈性體能量密度高達(dá)169 J kg?1，功率密度達(dá)到3000 W kg?1，超越天然肌肉8倍，并優(yōu)于所有已報(bào)道的介電彈性體材料。研究團(tuán)隊(duì)還展示了一款集成了電致發(fā)光功能的快速移動(dòng)軟體機(jī)器人，凸顯了該材料的多功能應(yīng)用潛力。相關(guān)論文以“Molecular Semiconductor-Induced Deep Trapping Enables Ultrahigh-Performance Dielectric Elastomers”為題，發(fā)表在

ACS Nano

在這項(xiàng)研究中，研究人員通過(guò)紫外光引發(fā)聚合，將半導(dǎo)體分子N-乙烯基咔唑與丙烯酸月桂酯單體及交聯(lián)劑共聚，制備了一系列P(LA-VK)彈性體。通過(guò)傅里葉變換紅外光譜和小角X射線散射等手段證實(shí)了VK單元成功接入聚合物主鏈，且形成了堅(jiān)固的共價(jià)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。力學(xué)性能測(cè)試表明，適量VK的引入不僅保持了材料的高斷裂伸長(zhǎng)率，還通過(guò)VK單元間的π-π堆積相互作用形成了動(dòng)態(tài)物理交聯(lián)點(diǎn)，顯著降低了材料的機(jī)械滯后損耗，其滯后性能優(yōu)于目前最先進(jìn)的介電彈性體和水凝膠材料。密度泛函理論計(jì)算和變溫紅外光譜進(jìn)一步證實(shí)了這種分子間相互作用的存在及其對(duì)溫度響應(yīng)的敏感性。

圖1. 聚丙烯酸酯鏈的共聚改性彈性體實(shí)現(xiàn)了電活性變形的大幅增加。 (a) 介電彈性體執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)原理。 (b) 聚丙烯酸酯鏈共聚改性的分子設(shè)計(jì)。 (c) 名義電場(chǎng) (Φ/H?) 與面積拉伸比 (λ? = S?/S? = H/H?) 的關(guān)系。寬紅色曲線指的是彈性體的電擊穿強(qiáng)度 Φ?(λ?)/H?。 (d) 能帶圖顯示了聚合物中可能的電荷轉(zhuǎn)移。 (e) 分子陷阱機(jī)制示意圖。陷阱能級(jí)可使用 φ? = EA? - EA? 計(jì)算。 (f) 總結(jié)本工作與其他介電彈性體比能量和比功率的Ashby圖。

圖2. 彈性體的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能。 (a) 彈性體制備過(guò)程示意圖。 (b) PLA和P(LA-VK)彈性體的傅里葉變換紅外光譜圖。 (c) PLA和P(LA-VK4)薄膜的小角X射線散射譜圖。 (d) 純PLA和P(LA-VK4)彈性體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 (e) PLA彈性體在100%應(yīng)變下的循環(huán)拉伸曲線。 (f) P(LA-VK4)彈性體在100%應(yīng)變下的循環(huán)拉伸曲線。 (g) P(LA-VK)彈性體中VK單元相互作用的示意圖。 (h) P(LA-VK4)彈性體的滯后能與先前報(bào)道的彈性體和離子導(dǎo)體的比較。 (i) VK單元不同堆積模式的DFT計(jì)算結(jié)合能。 (j) P(LA-VK4)彈性體在748 cm?1處峰位的溫度依賴性。 (k) P(LA-VK4)在780-700 cm?1區(qū)域的同步二維相關(guān)光譜圖。 (l) P(LA-VK4)在780-700 cm?1區(qū)域的異步二維相關(guān)光譜圖。

研究深入探討了VK單元對(duì)介電性能的影響。結(jié)果顯示，所有P(LA-VK)彈性體在保持相近介電常數(shù)（約3.6）和極低介電損耗（<10?2）的同時(shí)，擊穿強(qiáng)度顯著提升。其中，P(LA-VK4)樣品的擊穿強(qiáng)度達(dá)到82.7 V μm?1，比純PLA提高了22%。泄漏電流測(cè)試和跳電導(dǎo)模型擬合表明，VK單元的引入有效抑制了電荷傳輸，降低了跳電距離。熱刺激去極化電流測(cè)試和DFT計(jì)算共同揭示了其內(nèi)在機(jī)制：VK單元具有比聚丙烯酸酯更高的電子親和能，在聚合物中引入了更深的電子和空穴陷阱能級(jí)（電子陷阱深度0.59 eV，空穴陷阱深度1.18 eV），能夠牢固地捕獲激發(fā)和注入的高能電子，從而顯著抑制泄漏電流，提升絕緣性能和擊穿強(qiáng)度。

圖3. 擊穿行為與導(dǎo)電機(jī)制。 (a) 聚合物薄膜的威布爾曲線分析。 (b) 威布爾分布E?（左y軸）和形狀參數(shù)β（右y軸）與VK含量的關(guān)系。 (c) 彈性體薄膜的泄漏電流密度跳電導(dǎo)模型擬合。 (d) PLA薄膜和P(LA-VK4)薄膜的熱刺激去極化電流曲線。 (e) PLA薄膜和P(LA-VK4)薄膜的陷阱能級(jí)和陷阱密度分布。 (f) PLA和P(LA-VK)的擊穿機(jī)理示意圖。 (g) PLA和P(LA-VK)的態(tài)密度圖。 (h) 通過(guò)DFT計(jì)算的PLA和P(LA-VK)的能帶結(jié)構(gòu)。

得益于增強(qiáng)的擊穿強(qiáng)度，P(LA-VK)彈性體在電致驅(qū)動(dòng)測(cè)試中展現(xiàn)出卓越的性能。在無(wú)預(yù)拉伸條件下，P(LA-VK4)彈性體在27.0 V μm?1的名義電場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)了高達(dá)174%的面積應(yīng)變，比純PLA（119%）提高了47%。其輸出力（0.38 N）也遠(yuǎn)超純PLA（0.26 N），能夠輕松舉起自身重量145倍的物體（10克）。更重要的是，由于機(jī)械滯后小，P(LA-VK4)表現(xiàn)出優(yōu)異的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，達(dá)到90%最終面積應(yīng)變僅需1.6秒，遠(yuǎn)快于商用VHB彈性體（75秒）。經(jīng)過(guò)1000次循環(huán)測(cè)試后，該執(zhí)行器仍能穩(wěn)定工作，顯示出良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

圖4. 電致驅(qū)動(dòng)行為。 (a) P(LA-VK4)薄膜制成的執(zhí)行器在不同名義電場(chǎng)下的照片。比例尺為10 mm。 (b) 薄膜在不同名義電場(chǎng)下的電致驅(qū)動(dòng)曲線。 (c) 名義電場(chǎng)與驅(qū)動(dòng)面積拉伸比λ?的關(guān)系。虛線表示電擊穿區(qū)域。 (d) PLA和P(LA-VK4)執(zhí)行器的力與位移關(guān)系。 (e) P(LA-VK4)執(zhí)行器舉起一個(gè)10克砝碼的照片。比例尺為5 mm。 (f) P(LA-VK4)彈性體和有/無(wú)預(yù)拉伸的VHB在24 V μm?1（名義電場(chǎng)）下的驅(qū)動(dòng)面積應(yīng)變隨時(shí)間變化行為。 (g) 執(zhí)行器可以推動(dòng)一個(gè)玩具飛機(jī)。比例尺為20 mm。 (h) P(LA-VK4)薄膜制成的執(zhí)行器的循環(huán)驅(qū)動(dòng)測(cè)試（1000次）。

在能量密度和功率密度評(píng)估中，P(LA-VK4)彈性體在純剪切模式下測(cè)試，表現(xiàn)出卓越的動(dòng)態(tài)輸出性能。在68克負(fù)載、5 Hz頻率和8 kV電壓下，實(shí)現(xiàn)了100%的線性驅(qū)動(dòng)應(yīng)變，創(chuàng)紀(jì)錄地達(dá)到了3000 W kg?1的高功率密度和169 J kg?1的高能量密度。后者約為天然肌肉的8倍。研究還展示了通過(guò)將三個(gè)平面執(zhí)行器并聯(lián)，能夠輕松舉起一個(gè)1.2公斤的水桶，同時(shí)仍保持57%的線性驅(qū)動(dòng)應(yīng)變，證明了其輸出能力可通過(guò)組合方式按比例放大。

圖5. 能量密度和功率密度。 (a) 平面執(zhí)行器示意圖。 (b) 介電彈性體執(zhí)行器在不同電壓和5 Hz頻率下的動(dòng)態(tài)性能。外部負(fù)載為68克。 (c) P(LA-VK4)執(zhí)行器在不同電場(chǎng)和負(fù)載下的比功率。 (d) P(LA-VK4)執(zhí)行器在不同頻率和負(fù)載下的比功率。插圖：P(LA-VK4)純剪切介電彈性體執(zhí)行器在44.44 V μm?1、68克負(fù)載和5 Hz條件下的線性驅(qū)動(dòng)照片。比例尺為10 mm。 (e) P(LA-VK4)執(zhí)行器在不同頻率和負(fù)載下的比能量。 (f) 總結(jié)本工作與其他介電彈性體比功率與線性應(yīng)變的Ashby圖。 (g) 由三層P(LA-VK4)薄膜制備的介電彈性體執(zhí)行器可以輸出大力，舉起一個(gè)1.2公斤的水桶。比例尺為20 mm。

基于P(LA-VK)彈性體的卓越性能，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一款兼具發(fā)光和運(yùn)動(dòng)功能的快速移動(dòng)軟體機(jī)器人。該機(jī)器人采用最小能量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，集成了介電彈性體驅(qū)動(dòng)層和電致發(fā)光層。在單一交變電場(chǎng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，機(jī)器人既能發(fā)光又能實(shí)現(xiàn)定向移動(dòng)。在粗糙紙基板上，其最大移動(dòng)速度可達(dá)3.03倍體長(zhǎng)/秒，并能承受300%自重的負(fù)載攀爬35°斜坡。即使在遭受足部踩踏等巨大壓力后，機(jī)器人也能快速恢復(fù)并繼續(xù)移動(dòng)，展示了其非凡的魯棒性。

圖6. 電致發(fā)光快速移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 (a) 移動(dòng)式交流電致發(fā)光機(jī)器人示意圖。 (b) 移動(dòng)軟機(jī)器人的實(shí)物演示照片。比例尺為5 mm。 (c) 在紙張表面、固定電壓7 kV下，機(jī)器人速度與驅(qū)動(dòng)頻率的關(guān)系。 (d) 軟機(jī)器人在不同基底和不同電場(chǎng)條件下的移動(dòng)速度。 (e) 軟機(jī)器人在不同基底上的移動(dòng)速度。 (f) 軟機(jī)器人在紙張表面移動(dòng)的照片。比例尺為10 mm。 (g) 軟機(jī)器人承載重量并爬行。比例尺為10 mm。 (h) 軟機(jī)器人在35°斜坡上攀爬。比例尺為10 mm。 (i) 抗暴力恢復(fù)能力展示。比例尺為10 mm。 (j) 初始和恢復(fù)后的移動(dòng)速度。

綜上所述，這項(xiàng)研究提出了一種將有機(jī)分子半導(dǎo)體引入介電彈性體網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的通用策略，通過(guò)構(gòu)建電荷陷阱和分子間物理交聯(lián)，同步實(shí)現(xiàn)了高擊穿強(qiáng)度、理想模量、高彈性和低損耗，從而獲得了創(chuàng)紀(jì)錄的高能量和高功率密度。該工作不僅為開發(fā)下一代高性能人工肌肉提供了新的材料設(shè)計(jì)思路，其展示的兼具移動(dòng)和發(fā)光功能的軟體機(jī)器人也預(yù)示著在復(fù)雜、多功能軟體機(jī)器人應(yīng)用中巨大的潛力。