喷墨打印技术制备具有高机电性能的超薄介电弹性体驱动器的研究

Dielectric elastomer actuators (DEAs) have a great number of promising applications in the fields of bionics, intelligent artificial and aerospace. However, the higher voltage, which is required for dielectric elastomers (DEs) to produce large voltage-induced deformations, imposes potential danger to human body and equipment. In order to resolve this problem, this programme aims to fabricate ultra-thin DE films, which is made of silicone rubber with the addition of high dielectric particles, by the inkjet printing technique. Hence, the driving voltage can be drastically decreased by reducing the thickness of DE films and enhancing the dielectric constant of DEs without increasing their elastic moduli. In this programme, parameters for printable DE solutions and compliant electrodes will be investigated. The electromechanical properties of DEs such as voltage-induced strain, dielectric strength and response time will also be studied. This programme will provide a novel method for fabricating a new generation DEAs and thus has great importance in expanding their further applications.

介电弹性体驱动器在仿生学、人工智能和航空航天等领域有广泛的应用前景，但是由于其产生大的电致应变需要较高的电压，给人体和设备带来潜在的危险。为解决这一难题，本项目提出采用喷墨打印技术制备超薄介电弹性体驱动器，通过减少介电弹性体薄膜的厚度和在不升高弹性模量的前提下提高介电常数的办法，降低介电弹性体的驱动电压。对制备适合打印的介电弹性体溶液和柔性电极溶液的工艺参数进行了探索。从电致应变、介电强度、响应时间和机电稳定性等方面对介电弹性体驱动器的机电性能进行了研究。本项目为新型高性能介电弹性体驱动器的制备提供了新方法，对于扩展介电弹性体材料的应用具有重要意义。

介电弹性体驱动器在仿生机器人、人工智能和航空航天等领域有广泛的应用前景，但是由于其在大电场作用下才能产生大的电致应变，给人体和设备带来潜在的危险。为解决这一难题，本项目提出采用喷墨打印技术制备超薄介电弹性体驱动器。本项目前期基于纳米纤维网络制备了仿肌肉结构的介电弹性体材料，该材料可在45V/μm的电场强度下，稳定产生6%的电致应变。为了提高粒子在弹性体中的分散性，本项目从核桃皮中提取了核桃多酚，对高介电性钛酸钡粒子进行表面修饰，并与硅橡胶复合制备了超薄的介电弹性体材料，该材料可在187V/μm的电场强度下，稳定产生38%的电致应变。本项目还探索了碳纳米管等碳基电极材料的电学性能，并探讨了这些电极材料在智能可穿戴领域的应用。项目实施过程中，发现用传统的喷墨打印技术打印带有介电粒子的墨水，非常容易造成喷头堵塞，从而导致材料制备困难。为了克服该困难，负责人自行研发了电流体动力喷墨打印系统，并基于此系统打印了介电弹性体器件，该器件具有优异的机电性能及机电稳定性。本项目为新型高性能介电弹性体驱动器的制备提供了新方法，对于扩展介电弹性体材料的应用具有重要意义。