电活性高分子纳米复合物中若干界面效应对机电转换性能的强化机理研究

对于智能材料与结构中机电转换器件用电活性高分子材料，要想低驱动场强中获得大应变和高弹性能密度，大幅度强化其介电响应是解决问题的关键。本项目通过化学接枝法制备基于Maxwell应力效应的高分子/高介电常数有机固体（HKOS）纳米复合物。计划：.一、降低复合物中HKOS颗粒粒径到约10nm量级。研究"界面交换耦合"、"Maxwell极化"及"非均匀空间电荷分布"等界面效应对材料介电性能和机电转换性能的强化作用，探索电性能得以最大强化时HKOS粒径的最佳值；系统研究复合物分子结构、微结构、极化响应机理以及电性能，弄清结构与性能之间的关系，建立基于HKOS颗粒纳米化的超高机电转换性能高分子复合物的设计理论与方法；用此复合物薄膜制作卷型驱动器件，以验证机电性能得以强化的机理。.二、材料的预期性能：介电常数>600；在低于15MV/m的电场中，驱动器应变>10%，材料的弹性能密度>1.2J/cm^3。

本项目针对智能材料与结构机电转换器件用高性能电活性高分子材料，根据有关物理理论指导材料的分子设计，通过不同的途径制备了具有高介电常数的高分子复合材料，系统研究了材料的结构与性能之间的关系，并制作了大应变、高能量密度的驱动器件以验证材料的性能。首先，采用化学合成法，将具有超高介电常数的有机半导体钛菁铜齐聚物（CuPc）分别连接到聚氨酯弹性体或丙烯酸树脂弹性体分子链，所得纳米复合材料中CuPc的颗粒粒径约为10-20nm，比相应的物理共混物中的CuPc颗粒粒径降低了数十倍。由于复合材料中纳米尺度的CuPc颗粒与高分子基体之间的若干界面效应得以大幅度强化，从而在使纳米复合材料保持较低介电损耗（0.19，100Hz）的情况下，其介电常数与所用的纯高分子材料相比提高了2个数量级（可达到391，100Hz），而且接枝复合材料薄膜的击穿电场强度也明显高于对应的物理共混物的击穿电场强度。另一个制备复合材料的途径是将盐酸掺杂的高导电聚苯胺（PANI）添加到经化学改性的偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯三元共聚物，制得高介电常数愈渗复合材料。通过利用相关理论模型进行拟合，得其愈渗阈值为0.146。在100Hz，PANI体积含量为13.6%的愈渗复合材料的介电常数为516；PANI体积含量14.3%的介电常数高达906。对上述复合材料的分子结构、微结构与性能间的关系进行了系统的研究，揭示了材料电性能得以大幅度强化的机理。在此基础上，设计、制作了具有大应变及高能量密度的驱动器件，研究了其机电转换性能。对于圆形驱动器件，在10MV/m的驱动电场中，纵向应变高达17.7%，弹性能密度达0.927J/cm^3；当驱动电场为12MV/m时，驱动器的弹性能密度高达1.316J/cm^3。对于圆柱形驱动器件，在低于15 MV/m的驱动电场中应变量可达15%，产生的最大推力为0.8 N，在断电后产生的最大拉力为0.94 N。这些研究结果表明，本项目已按原定计划成功实施。