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電活性聚合物
本詞條是多義詞，共2個義項
有特殊電性能和機械性能的材料
電活性聚合物EAP是一種智能材料，具有特殊的電性能和機械性能。這種聚合物在受到電刺激后，產(chǎn)生微小形變。因此，從上世紀90年代初開始，電活性聚合物以較強的誘導(dǎo)形變能力引起許多學(xué)科的科學(xué)家和工程師的關(guān)注。EAP材料的性能由許多因素決定，如輸出應(yīng)變、驅(qū)動應(yīng)力、彈性能密度、響應(yīng)時間及理論效率等。
基本信息
| 中文名 | 電活性聚合物 |
| 外文名 | electroactivepolymer |
| 拼音 | dianhuaxingjuhewu |
| 特點 | 具有特殊的電性能和機械性能 |
| 分類 | 電子型EAP和離子型EAP |
| 來源 | 19世紀80年代 |
| 性質(zhì) | 是一種智能材料 |
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聚合物簡介
電活性聚合物(Dielectric Electro Active Polymer，DEAP)也是介電彈性體(Dielectric E— lastomer，DE)，是一種智能材料，因其獨特的電性能和機械性能而嶄露鋒芒。20世紀90年代 初，基于電活性聚合物材料的人工肌肉驅(qū)動器 得到快速發(fā)展。與傳統(tǒng)的壓電材料相比，這種聚合物材料具有更大的應(yīng)變能力，且重量輕、驅(qū)動效率高、抗震性能好，是最具有發(fā)展?jié)摿Φ姆律牧现弧?/span>
電活性聚合物設(shè)計、合成和加工方面的研究都有了很大的進展。美國斯坦福研究院采用3M公司生產(chǎn)的聚丙烯酸橡膠 VHB2910和VHB2905制造了預(yù)應(yīng)變的致動器。丹麥的丹佛斯利用軟硅樹脂和銀粉柔性電極制造 了非預(yù)拉伸單層薄膜致動器，其厚度是微米級的。電活性聚合物在直流電作用下會產(chǎn)生大幅度的應(yīng) 變(如聚丙烯酸橡膠，其線性應(yīng)變可達380%，且能鼉輸出也很高)。且反應(yīng)速度快(微秒級)，變 形率大(與壓電陶瓷等傳統(tǒng)的電致伸縮材料相比)，這些特點使得這類材料成為微型機械中致動器及傳感器的基礎(chǔ)材料，并且得到了廣泛的應(yīng)用。但其在發(fā)電方面的研究與應(yīng)用尚處于起步階段。
利用電活性聚合物收集風(fēng)能、波浪能等綠色能源發(fā)電，開發(fā)新型可再生、低廉、環(huán)境友好、清潔的能源，可以促進世界能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。
發(fā)展歷史
電活性聚合物的起源可以追溯到19世紀80年代，機電響應(yīng)現(xiàn)象首次被發(fā)現(xiàn)。20年后有人將場致應(yīng)變的規(guī)律總結(jié)成公式。上世紀20年代壓電聚合物的發(fā)現(xiàn)，是電活性聚合物發(fā)展史的重要里程碑。40年代末，人們發(fā)現(xiàn)了化學(xué)活性聚合物，例如膠原質(zhì)絲浸泡在酸或堿溶液中時，可以可逆伸縮。但是，關(guān)于“化學(xué)-機械”的驅(qū)動器卻很少有人研究，直到仿生肌肉用合成聚合物發(fā)展起來。隨著電激勵技術(shù)的發(fā)展，人們開始關(guān)注EAP材料。1969年發(fā)現(xiàn)PVDF具有壓電行為后，科學(xué)家開始挖掘其它聚合物體系，一系列的EAP材料應(yīng)運而生。近10年來,EAP材料發(fā)展迅速，開發(fā)了一系列具有優(yōu)異性能的EAP材料，某些EAP材料的形變量甚至可以達到300%。
分類
按照作用機理的不同，電活性聚合物（EAP）主要分為兩大類，電子型EAP和離子型EAP。
電子型EAP包括全有機復(fù)合材料(AOC)、介電EAP(DEAP)、電致伸縮接枝彈性體(ESGE)、電致伸縮薄膜(ESP)、電致粘彈性聚合物(EVEM)、鐵電體聚合物(FEP)和液晶彈性體(LCE)等。
對于電子型EAP,在電場作用下庫侖力誘導(dǎo)產(chǎn)生電致伸縮效應(yīng)以及靜電、壓電和鐵電效應(yīng)，而且這種EAP材料可在直流電場作用下產(chǎn)生誘導(dǎo)位移。但是，在一定的電致伸縮效應(yīng)時，電子型EAP需要較高的激勵電場(>100V/μm),該電場接近材料的擊穿電場。而離子型EAP是由兩個電極和電解液組成的，離子遷移或分散作用，可以使這類材料在較低電壓下(1～ 2V)產(chǎn)生激
勵作用，并產(chǎn)生誘導(dǎo)彎曲位移。
這類EAP材料的缺點是需要保持一定的濕潤度，而且在直流電場激勵下很難保持穩(wěn)定的誘導(dǎo)位移(導(dǎo)電聚合物除外)。
電子EAP材料
電致伸縮接枝彈性體
電致伸縮接枝彈性體，由柔性主鏈和支鏈組成。支鏈與相接近的主鏈物理交聯(lián)，形成晶體單元。柔性主鏈與結(jié)晶的接枝單元由帶有電荷的極性單體合成，可以產(chǎn)生偶極矩，并使結(jié)晶支鏈誘導(dǎo)極化。在施加電場的情況下，偶極子產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩作用，刺激結(jié)晶支鏈的極化單元旋轉(zhuǎn)，主鏈局部重排，導(dǎo)致彈性體變形。接枝彈性體的優(yōu)點是比其它電致伸縮聚合物的硬度高。
電致伸縮薄膜
電致伸縮薄膜是大量分散粒子組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)聚合物，通常具有纖維的性質(zhì)。這種材料的驅(qū)動器質(zhì)輕，制造簡單，可以用于活性吸音器、柔性揚聲器和“智能”形狀控制設(shè)備等。
電致粘彈性聚合物
電致粘彈性聚合物由硅橡膠和極化相組成。在未硫化交聯(lián)之前，這種材料就像電致粘彈液體。施加電場后，材料固化，極化相在彈性體基體中定向排列。因此，這種材料具有“固態(tài)”相，且剪切模量隨電場(<6V/μm)變化。這種材料能獲得50%的剪切模量，可以代替電致流變液體作為阻尼材料，還可以用來制造精確控制閉合回路系統(tǒng)的機器人胳膊。
鐵電聚合物
壓電現(xiàn)象是一種存在于一類特定晶體———鐵電體中的獨特效應(yīng)。壓電材料在施加電場時產(chǎn)生伸縮變形，相反在施加壓力時產(chǎn)生電壓。這種材料可以在空氣、真空或水中使用，而且使用溫度范圍相當寬。聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物是最常見的鐵電聚合物。由于它們具有良好的柔韌性并易制成大面積的薄膜，因而在音頻和超聲傳感器、生物醫(yī)學(xué)傳感器、機電換能器以及熱釋電和光學(xué)器件中具有重要的應(yīng)用前景。在水聽器，醫(yī)用超聲傳感器和機器人探測器等領(lǐng)域已獲得實際應(yīng)用。
全有機復(fù)合材料
全有機復(fù)合材料是將具有高介電常數(shù)的有機填料分散到一種電致伸縮聚合物基體中，在保持基體柔性的基礎(chǔ)上同時具有較高的介電常數(shù)。這種聚合物基復(fù)合材料在較低的電場下可以實現(xiàn)較高的應(yīng)變量，與此同時，既大大地增加了有機材料的介電常數(shù)，也有效地改善了材料的“有效”擊穿強度。
液晶彈性體
離子EAP材料
碳納米管
碳納米管是一種高性能，多功能復(fù)合材料，具有高長徑比、直徑小、質(zhì)量輕、機械強度高(類似于金剛石)、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、熱穩(wěn)定性好、空氣中穩(wěn)定性好等優(yōu)點。在注入離子后，納米管和電解液的離子電荷平衡被破壞，鍵長改變產(chǎn)生電活性。注入的電荷愈多，尺寸變化愈大。因此，人們希望得到CNT/聚合物納米復(fù)合材料，使易于加工的聚合物基體具備CNT的優(yōu)點。
電致流變液體
電致流變液體是一種低介電液體，其中含有電子極化粒子。施加電場后，懸浮離子極化。幾毫秒后，在電場方向產(chǎn)生原纖化作用，表觀粘度增加。ERF具有響應(yīng)時間短，消耗功率低，性能穩(wěn)定，加工簡單等性能。因此，可以用在機械工程(例如發(fā)動機防震墊、減震器、離合器電致流變閥門機器人手臂等)和一些控制系統(tǒng)。ERF被開發(fā)用作一些新的設(shè)備上，例如人工肌肉激勵器、宇宙飛船減震器、電致觸感顯示器、光子晶體等。
導(dǎo)電聚合物
導(dǎo)電聚合物材料是一類兼具高分子特性及導(dǎo)電體特征的高分子材料。根據(jù)電荷載流子的種類，導(dǎo)電聚合物被分為電子CP和離子CP。以自由電子或空穴為載流子的導(dǎo)電聚合物稱為電子CP,其共同特征是分子內(nèi)含有大的線性共軛π電子體系。電子CP主要有聚乙炔、芳香單環(huán)、多環(huán)以及雜環(huán)的共聚物或均聚物。以正、負離子為載流子的導(dǎo)電聚合物稱為離子CP,主要有聚醚、聚酯和聚酰亞胺。這些聚合物分子的聚合物溶劑化能力強，有利于鹽解理成離子或形成聚和絡(luò)合物。需要指出的是，僅有長鏈共軛體系的聚合物只能算作是半導(dǎo)體，其導(dǎo)電能力還無法與金屬導(dǎo)體相比，因此需要摻雜微量添加劑來提高其導(dǎo)電能力。
離子聚合物凝膠
離子聚合物可以通過凝膠法得到，并且具有較強的驅(qū)動作用，這種驅(qū)動作用和生物肌肉的驅(qū)動力及彈性能密度相似。這種材料在酸性環(huán)境中可發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，凝膠伸縮，產(chǎn)生電活性。離子聚合物/金屬復(fù)合材料是一種新型的智能聚合物材料，具有電活性。聚合物基體通常是離子交換材料，用來選擇單電荷離子(陰離子或陽離子),因此，通常具有共價離子基團。施加電場后離子從材料中遷移出來，其運動方向與極化方向有關(guān)，遷移速率與施加的電壓和材料性能有關(guān)。IPMC材料質(zhì)輕，柔性好，只需低電壓(< 3V)即可產(chǎn)生較大形變，可在潮濕環(huán)境中使用，而且具有生物相容性, 因此多應(yīng)用于醫(yī)學(xué)設(shè)備上。
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