[科普中国]-电活性聚合物

电活性聚合物EAP是一种智能材料,具有特殊的电性能和机械性能。这种聚合物在受到电刺激后,产生微小形变。因此,从上世纪90年代初开始,电活性聚合物以较强的诱导形变能力引起许多学科的科学家和工程师的关注。EAP材料的性能由许多因素决定,如输出应变、驱动应力、弹性能密度、响应时间及理论效率等。1

简介电活性聚合物(Dielectric Electro Active Polymer，DEAP)也是介电弹性体(Dielectric E— lastomer，DE)，是一种智能材料，因其独特的电性能和机械性能而崭露锋芒。20世纪90年代 初，基于电活性聚合物材料的人工肌肉驱动器 得到快速发展。与传统的压电材料相比，这种聚合物材料具有更大的应变能力，且重量轻、驱动效率高、抗震性能好，是最具有发展潜力的仿生材料之一。

电活性聚合物设计、合成和加工方面的研究都有了很大的进展。美国斯坦福研究院采用3M公司生产的聚丙烯酸橡胶 VHB2910和VHB2905制造了预应变的致动器。 丹麦的丹佛斯利用软硅树脂和银粉柔性电极制造 了非预拉伸单层薄膜致动器，其厚度是微米级的。电活性聚合物在直流电作用下会产生大幅度的应 变(如聚丙烯酸橡胶，其线性应变可达380%，且能鼍输出也很高)。且反应速度快(微秒级)，变 形率大(与压电陶瓷等传统的电致伸缩材料相比)，这些特点使得这类材料成为微型机械中致动器及传感器的基础材料，并且得到了广泛的应用。但其在发电方面的研究与应用尚处于起步阶段。

利用电活性聚合物收集风能、波浪能等绿色能源发电，开发新型可再生、低廉、环境友好、清洁的能源，可以促进世界能源可持续发展战略。2

发展历史电活性聚合物的起源可以追溯到19世纪80年代,机电响应现象首次被发现。20年后有人将场致应变的规律总结成公式。上世纪20年代压电聚合物的发现,是电活性聚合物发展史的重要里程碑。40年代末,人们发现了化学活性聚合物,例如胶原质丝浸泡在酸或碱溶液中时,可以可逆伸缩。但是,关于“化学-机械”的驱动器却很少有人研究,直到仿生肌肉用合成聚合物发展起来。随着电激励技术的发展,人们开始关注EAP材料。1969年发现PVDF具有压电行为后,科学家开始挖掘其它聚合物体系,一系列的EAP材料应运而生。近10年来,EAP材料发展迅速,开发了一系列具有优异性能的EAP材料,某些EAP材料的形变量甚至可以达到300%。1

分类按照作用机理的不同,电活性聚合物（EAP）主要分为两大类，电子型EAP和离子型EAP。

电子型EAP包括全有机复合材料(AOC)、介电EAP(DEAP)、电致伸缩接枝弹性体(ESGE)、电致伸缩薄膜(ESP)、电致粘弹性聚合物(EVEM)、铁电体聚合物(FEP)和液晶弹性体(LCE)等。

离子型EAP包括碳纳米管(CNT)、导电聚合物(CP)、电致流变液体(ERF)、离子聚合物凝胶(IPG)和离子聚合物基金属复合材料(IPMC)等。

对于电子型EAP,在电场作用下库仑力诱导产生电致伸缩效应以及静电、压电和铁电效应,而且这种EAP材料可在直流电场作用下产生诱导位移。但是,在一定的电致伸缩效应时,电子型EAP需要较高的激励电场(>100V/μm),该电场接近材料的击穿电场。而离子型EAP是由两个电极和电解液组成的,离子迁移或分散作用,可以使这类材料在较低电压下(1～ 2V)产生激

励作用,并产生诱导弯曲位移。

这类EAP材料的缺点是需要保持一定的湿润度,而且在直流电场激励下很难保持稳定的诱导位移(导电聚合物除外)。1

电子EAP材料电致伸缩接枝弹性体电致伸缩接枝弹性体,由柔性主链和支链组成。支链与相接近的主链物理交联,形成晶体单元。柔性主链与结晶的接枝单元由带有电荷的极性单体合成,可以产生偶极矩,并使结晶支链诱导极化。在施加电场的情况下,偶极子产生转矩作用,刺激结晶支链的极化单元旋转,主链局部重排,导致弹性体变形。接枝弹性体的优点是比其它电致伸缩聚合物的硬度高。

电致伸缩薄膜电致伸缩薄膜是大量分散粒子组成的网状结构聚合物,通常具有纤维的性质。这种材料的驱动器质轻,制造简单,可以用于活性吸音器、柔性扬声器和“智能”形状控制设备等。

电致粘弹性聚合物电致粘弹性聚合物由硅橡胶和极化相组成。在未硫化交联之前,这种材料就像电致粘弹液体。施加电场后,材料固化,极化相在弹性体基体中定向排列。因此,这种材料具有“固态”相,且剪切模量随电场(