DE/f-RGO复合材料的界面性能对其电致驱动行为的影响机制研究

Dielectric elastomer electro-active intelligient polymers can be used for wide applications in flexible mechanical field of aeronautics and astronautics. However, they have low dielectric constant, small electric induced strain and low electromechanical conversion efficiency. In this program, we plan to add graphene nanosheets into the polyurethane dielectric elastomer to improve the performance of polyurethane. In order to get better dispersion of such hydrophobic graphene nanofillers in polyurethane dielectric elastomer matrix, herein, the surface of the graphene is functionalized by flexible organic molecules. The enhanced hydrophilicity and wettability of graphene nano-fillers can greatly improve the dispersion of graphene in polyurethane and strengthen the interface between fillers and polymer host. This allows for construction of more micro-capacitors in composites, leading to higher dielectric and electric induced strain performance. The flexible micro-actuators made of such composites may have lower driving electric field, elevated breakdown strength, and better electro-mechanical efficiency. The micro-structure of functionalized graphene-polyurethane composite and interfacial interaction between filler-matrix will be discussed. The relationship between the material structure and electric induced strain will be discussed. By development of the project we will obtain novel functionalized graphene-polyurethane dielectric elastomer composites, novel flexible micro-actuators, and reveal the influence mechanism of interfacial performance on electric field induced strain and electro-mechanical actuating behaviors of the flexible micro-actuator.

介电弹性体(DE)智能高分子材料在航空航天柔性机械领域具有广泛应用前景，但现有材料介电常数低、电致应变小、机电转换效率低。本项目拟采用石墨烯纳米材料来改性聚氨酯介电弹性体，为改善石墨烯在聚氨酯中的分散性，拟采用柔性有机分子对石墨烯进行化学功能修饰，通过功能化石墨烯(f-RGO)构筑复合材料层次结构及柔性界面，增强纳米填料-聚合物界面作用力，在复合材料中形成更多的微电容和介电缓冲层结构，从而有望显著提高聚氨酯材料的介电性能与电致应变性能。利用这种新型介电弹性体制作柔性微驱动器，可以有效降低驱动电场强度、提高电场击穿强度、提高机电转换效率。通过研究功能化石墨烯/聚氨酯弹性体复合材料的微结构及电性能、热性能、机械力学性能、电致应变性能之间的关系，研究柔性微驱动器的驱动行为和机理及机电转换规律，从而探索功能化石墨烯/聚氨酯介电弹性体复合材料界面性能对介电弹性体复合材料微驱动器驱动行为的影响机制。

电活性聚合物智能高分子材料在柔性机械和软物质科学领域得到广泛关注，其中介电弹性体是电子型电活性聚合物的典型代表。现有介电弹性体存在介电常数低、电致应变小、机电转换效率低等缺点，亟待材料的设计和性能的优化。本项目对电活性聚合物智能高分子材料进行改性，根据有关理论指导材料的分子设计，通过不同的途径制备了具有良好介电性能的电活性高分子复合材料，系统研究了材料的结构与性能之间的关系，并制作了新型柔性微驱动器件以验证材料的性能。对于复合材料的微结构与柔性驱动器件性能和驱动行为机制之间的关系进行了系统的研究。本项目通过介电功能填料的分散与界面控制、大分子间作用调控以及驱动器形式变换等设计，得到了不同结构体系具有高介电、低模量和明显增加的电致形变的柔性驱动材料与器件。(1)在介电功能填料的分散与界面控制方面，通过设计有机无机半导体异质结、核壳结构包覆纳米金属导电填料以及高介电常数陶瓷-低掺杂量石墨烯量子点材料共混修饰，提高电活性高分子的介电性能。(2)在大分子间作用调控方面，通过多元醇有机小分子改性电活性聚合物，破坏大分子间氢键结构，增强运动能力，降低电活性聚合物材料的模量，提高电驱动敏感因子。(3)在电活性聚合物柔性驱动器的形式变换方面，首先，制备了圆膜型振动微驱动器，实现了低频交流电场下垂直于圆膜驱动器方向的较大振幅形变；其次，制备了单向弯曲的微驱动器，固定一侧形变的高介电弹性体材料实现了直流高压电场作用下的单向弯曲变形驱动；最后，设计了往复弯曲摆动微驱动器，采用沸石咪唑酯骨架材料热解得到的多孔碳材料为柔性电极，聚合物固载离子液体的凝胶为电解质层，实现了低电压低频下的往复摆动大形变位移和应变。本项目揭示了不同的电活性聚合物复合材料微观结构和性能与器件驱动性能的响应关系，可为高性能的电活性聚合物材料器件的设计制备提供参考经验。项目研发的柔性微驱动器有望应用于软体机器人、人工肌肉、生物医学等领域。