電活性聚合物國(guó)內(nèi)外綜述

【摘 要】研制出輕巧微型，靈活的驅(qū)動(dòng)設(shè)備成為社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，電致動(dòng)器在這樣的大環(huán)境下應(yīng)運(yùn)而生。本文在電活性聚合物分類(lèi)的基礎(chǔ)上說(shuō)明了電致動(dòng)器致動(dòng)機(jī)理，并詳細(xì)概述了不同材料的性能差異與改進(jìn)方式。

【關(guān)鍵詞】致動(dòng)器;電活性聚合物;離子型電活性聚合物

一、引言

電活性聚合物（EAP）是一種在電場(chǎng)刺激下能發(fā)生尺寸或形狀變化的智能材料。在20世紀(jì)90年代后期，已經(jīng)證明一些電活性聚合物可以表現(xiàn)出高達(dá)380%的應(yīng)變，這樣的響應(yīng)效果優(yōu)于任何傳統(tǒng)的陶瓷致動(dòng)器。

二、電活性聚合物分類(lèi)

電活性聚合物根據(jù)其活化機(jī)理的不同可分為離子型和電子型兩大類(lèi)[1]。電子EAP可以在高壓電場(chǎng)的作用下表現(xiàn)出彎曲形態(tài)。然而，電子EAP要求的初始電壓極高，甚至達(dá)到擊穿電壓。離子EAP是一種涉及離子遷移或擴(kuò)散的材料。離子EAP的活化可通過(guò)低至1-2伏特的電壓進(jìn)行，并且產(chǎn)生較大的位移。

三、電子型電活性聚合物

電子型電活性聚合物可細(xì)分為全有機(jī)復(fù)合材料、介電電活性聚合物、電致伸縮接枝彈性體、電致伸縮薄膜、電致粘彈性聚合物、鐵電聚合物以及液晶彈性體。其中介電彈性體近年受到廣泛關(guān)注因其具有柔軟且損耗小的特點(diǎn)。

四、離子型電活性聚合物

1.離子聚合物凝膠

水凝膠是指一類(lèi)有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的新型材料[2]，常作為支撐材料應(yīng)用于電致動(dòng)器中。水凝膠按照來(lái)源及成分可分為合成水凝膠和純天然高分子水凝膠，在此主要介紹純天然高分子水凝膠。

純天然高分子水凝膠與合成水凝膠相比具有來(lái)源廣泛的優(yōu)點(diǎn)，在電致動(dòng)器領(lǐng)域廣為應(yīng)用。殼聚糖作為純天然高分子水凝膠在近幾年的研究中備受青睞。殼聚糖是一種天然聚合物，具有原料來(lái)源豐富，成本低廉，良好的生物降解性和生物相容性等特性[3]。

殼聚糖在作為支撐材料應(yīng)用于電致動(dòng)器時(shí)存在輸出力性能不穩(wěn)定的現(xiàn)象，我們需要添加交聯(lián)劑增強(qiáng)殼聚糖的性能。在過(guò)去的研究中發(fā)現(xiàn)戊二醛可以作為交聯(lián)劑[4]，但戊二醛是一種有毒物質(zhì)。部分學(xué)者基于這種情況提出了使用碳納米管（CNT）替代戊二醛作為交聯(lián)劑[5]，并且發(fā)現(xiàn)使用碳納米管修飾殼聚糖可以增強(qiáng)電致動(dòng)器的電導(dǎo)率和機(jī)械性能[6]。

2.離子聚合物金屬?gòu)?fù)合材料（IPMC）

IPMC是一種重要的離子型聚合物材料，在20世紀(jì)90年代初期被發(fā)現(xiàn)[7]。它的驅(qū)動(dòng)機(jī)理是在電場(chǎng)作用下水合陽(yáng)離子向陰極移動(dòng)造成陰極的擴(kuò)大和陽(yáng)極的收縮在宏觀(guān)上表現(xiàn)出彎曲的形態(tài)[8]。

典型的IPMC由一層離子聚合物膜和兩層金屬?gòu)?fù)合膜組成，金屬?gòu)?fù)合膜在離子聚合物膜的兩面由貴金屬（如金和鉑）化學(xué)鍍制成。離子聚合物可以分為氟化離子聚合物，非氟化離子聚合物，磷酸摻雜離子聚合物其中氟化離子聚合物的使用較為普遍。

IPMC需要的激活電壓低，彎曲變形大，在干濕條件下均可工作。因其具有這些特性，過(guò)去的許多年中IPMC在仿生機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)得到了應(yīng)用[9]。

傳統(tǒng)的IPMC使用金或鉑作為表面電極，價(jià)格十分昂貴，為了降低成本部分學(xué)者提出使用基于化學(xué)沉積法的鍍銀方法得到新型IPMC[10]。當(dāng)IPMC被機(jī)械彎曲時(shí)會(huì)產(chǎn)生跨膜輸出電壓，因此也可以被應(yīng)用于傳感器，執(zhí)行器。

3.導(dǎo)電聚合物

1987年人們首次證明了導(dǎo)電聚合物可以作為人工肌肉應(yīng)用[11]。這類(lèi)電致動(dòng)器在通電的情況下伴隨著陽(yáng)離子的插入或陰離子的移除，造成體積的增大或減小，導(dǎo)致形態(tài)彎曲。

這類(lèi)致動(dòng)器有不同的結(jié)構(gòu)，彎曲三層結(jié)構(gòu)是最常見(jiàn)并且最容易制備的，三層執(zhí)行器通常是由兩個(gè)聚合物層和一個(gè)被動(dòng)層組成的“三明治”結(jié)構(gòu)[12]。最常用的聚合物是聚吡咯、聚苯胺和聚噻吩衍生物。

合成條件對(duì)導(dǎo)電聚合物的性能影響極高，拿聚吡咯來(lái)說(shuō)，一般合成吡咯的方法有電化學(xué)合成和電沉積合成。相比較來(lái)說(shuō)電化學(xué)合成聚吡咯的導(dǎo)電率最高，力學(xué)性能最好。同時(shí)也是最容易獲得的方法。

五、應(yīng)用與展望

離子型電活性聚合物電致動(dòng)器在過(guò)去的研究中已經(jīng)取得了極為可觀(guān)的成就，不過(guò)響應(yīng)速率低，使用壽命短，響應(yīng)不可逆仍然是其面臨的問(wèn)題，超越原有的機(jī)械型致動(dòng)器仍然是一個(gè)夢(mèng)想。我們相信離子型EAP材料做電致動(dòng)器仍具有無(wú)限的潛力與極大的空間等待著我們?nèi)ヌ剿鳌?/p>

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作者簡(jiǎn)介：

李函（2000-），女，黑龍江省黑河市人，在讀本科生，專(zhuān)業(yè)為食品科學(xué)與工程。

（作者單位：哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院）