介电弹性体

复合电极介电弹性体电活性聚合物( EAP )驱动器；细胞培养装置；PDMS (聚二甲基硅氧烷)；复合电极；体外细胞培养过程与实际人体环境有很大不同。因此，为了精确模拟人体环境，一种能够向细胞传递机械刺激的动态细胞培养装置是必不可少的。然而，传统的动态细胞培养设备需要相对复杂的设备，如管子、泵和马达，而且传递的机械刺激也很简单。本研究引入一种电活性聚合物作动器作为驱动元件，设计了无需复杂元件的简单驱动的动态细胞培养装置。该装置能够向细胞传递相对复杂的机械刺激。

介电弹性体( DE )技术应用于发电机、传感器、执行器等几个应用场合。限制DE性能的主要因素之一是过早的电气故障。合成是一个例子，据报道提高了击穿强度。本研究将聚二甲基硅氧烷( PDMS )薄膜与二氧化钛( TiO2 )和氧化锌( ZnO )两种不同的填料复合。这两种金属氧化物在作为填料加入PDMS弹性体之前，都会被煅烧至300℃。结果表明，掺入PDMS薄膜中的煅烧TiO2和ZnO显示出明显的击穿强度增加。同时，与煅烧ZnO相比，煅烧TiO2 PDMS薄膜具有更高的击穿强度。

本文重点研究新型亚微米金属与碳薄膜电极组合用于介电弹性体的机电评价。在纯剪切条件下，将薄膜电极溅射到37.5 %的双轴预拉伸聚二甲基硅氧烷( PDMS ) -箔片上或57.5 %的预拉伸箔片上。放松预拉伸后电极会起皱。这种褶皱结合了镍铬和碳的新型溅射三明治层，薄膜总厚度为10   nm ~ 40   nm，具有优异的机电性能。在初始电阻仅为500 Ω / square的情况下，一些电极结构在不损失导电性的前提下，能够承受100 %的高应变。1000万次循环的机械载荷不会引起薄膜及其电阻的严重退化。只要试验应变保持在先前施加的预拉伸量以下，电容-应变函数是线性的。在所有的实验过程中，没有观察到这些柔顺薄膜电极的分层现象。通过在电极上施加高电压可以改变介电弹性体的力-位移特性，从而演示执行器的工作原理。根据预拉伸方式的不同，在高应变下低电阻时，有些层序有利，有些层序不利。一般来说，具有金属电极构型的双轴预拉伸膜提供了最佳的性能。因此，本工作证明亚微米镍铬和碳夹芯层适合作为介电弹性体驱动器和传感器的电极。

聚二甲基硅氧烷( PDMS )具有低的模量、高的击穿强度和低的介电损耗，尽管其介电常数较低，但仍被用作大介电弹性体。本文采用聚多巴胺( PDA )在聚合反应过程中原位包复钛酸钡( BT )和多壁碳纳米管( MWCNT )制备核壳结构填料，然后与PDMS进行溶液复合，用交联剂硫化。所制备的三相纳米复合材料在填料PDA封装上表现出更好的填料- PDMS相互作用，可能是由于界面氢键作用，从而增强填料在PDMS基体中的分散性。与未包复的PDMS纳米复合材料相比，在填料网络形成硬化效应的背景下，较细的填料分散使PDMS纳米复合材料的软化效应(即降低交联)增强，从而产生较低的模量。此外，绝缘、界面PDA部分抑制了导电通路和漏电流的形成，降低了介电损耗，提高了纳米复合材料的击穿强度。因此，在13.9 kV mm - 1的击穿强度下，BT和MWCNT填充PDMS纳米复合材料表现出优异的机电性能，其最大驱动应变为7.0 %，是未填充PDMS的1.8倍( 3.9 % @ 15.0 kV mm-1 )和未填充PDMS的4.7倍( 1.5 % @ 18.4 kV mm-1 )。

介电弹性体( DE )是一类很有前途的场激活电活性聚合物。然而，其显著的机电驱动特性总是在巨大的电压下获得，这极大地限制了DE的潜在应用。本工作采用经典Stöber法制备了结构良好的核壳型TiO2 @ SiO2纳米颗粒。通过溶液共混和压模工艺制备了一系列TiO2 @ SiO2纳米结构填充聚二甲基硅氧烷( PDMS )复合材料。得益于外加SiO2壳层，既可以改善填料与基体的界面相容性，也可以改善核壳界面相互作用。在低电场( 30 V · μm-1 )下，TiO2 @ SiO2 / PDMS纳米复合材料在16 vol . % TiO2 @ SiO2添加量下的面内应变为6.08 %，比纯PDMS提高了180 %。实验结果表明，设计良好的核壳结构在改善DE复合材料的机电驱动性能和保持较好的柔韧性方面都能发挥重要作用。本研究为下一代DE系统中具有先进低场驱动机电性能的新型复合材料的设计提供了一种很有前景的途径。

介电弹性体( DE )是一类很有前途的场激活电活性聚合物。然而，其显著的机电驱动特性总是在巨大的电压下获得，这极大地限制了DE的潜在应用。本工作采用经典Stöber法制备了结构良好的核壳型TiO2 @ SiO2纳米颗粒。通过溶液共混和压模工艺制备了一系列TiO2 @ SiO2纳米结构填充聚二甲基硅氧烷( PDMS )复合材料。得益于外加SiO2壳层，既可以改善填料与基体的界面相容性，也可以改善核壳界面相互作用。在低电场( 30 V · μm-1 )下，TiO2 @ SiO2 / PDMS纳米复合材料在16 vol . % TiO2 @ SiO2添加量下的面内应变为6.08 %，比纯PDMS提高了180 %。实验结果表明，设计良好的核壳结构在改善DE复合材料的机电驱动性能和保持较好的柔韧性方面都能发挥重要作用。本研究为下一代DE系统中具有先进低场驱动机电性能的新型复合材料的设计提供了一种很有前景的途径。

介电弹性体是一种非常流行的复合材料，用于不同的应用场合。钛酸铜钙( CCTO )颗粒具有较高的介电常数，而聚二甲基硅氧烷( PDMS )是一种常用的柔性弹性体，具有良好的弹性能和耐久的耐化学性质，其复合材料在压力/力传感器的制备中显示出重要而独特的特性。为了提高电容式传感器的灵敏度，人们引入了各种弹性体的微结构，但迄今为止PDMS中用于制造微结构的方法较为困难，需要特种设备或强酸碱等危险化学品，否则产生的海绵样结构稍大，不能应用于非常小的场景。本研究采用萃取法制备了具有多个孔隙率的PDMS多孔微结构，探究了不同孔隙率和孔径对电容压力传感器灵敏度的影响，可以提高电容压力传感器的灵敏度、测力范围，也适用于微小场景。此外，目前制备多孔PDMS复合膜的方法也适用于其他较薄PDMS复合膜的制备。

介电弹性体可用于执行器和传感器领域，然而，不同种类的聚合物弹性体具有不同的力学和电学性能。PVDF (聚偏氟乙烯)、PE (聚乙烯)、TPU (热塑性聚氨酯)、PDMS (聚二甲基硅氧烷)是四种常用的介电弹性体聚合物。本文分析了PVDF、PE、TPU和PDMS的力学和电学性能以及作为介电弹性体的材料的优缺点。研究表明，PVDF具有较大的模量和介电常数，但其力学稳定性较差，难以产生大变形。PDMS具有较小的模量，可以产生较大的变形，具有最好的机械稳定性，但介电常数较小。PE易于成膜，可与数量最多的陶瓷颗粒复合制备复合材料，而TPU具有较好的综合性能，介电常数大，模量低，同时挤出工艺便于批量生产。