介電彈性體發(fā)電原理分析及應(yīng)用

劉志運 周蕓悅

摘要：介電彈性體（Dielectric Elastomer，DE）是一種電活性聚合物，是一種表現(xiàn)出對電場響應(yīng)的大應(yīng)變材料?，F(xiàn)介紹了介電彈性體中基質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)特性，并詳細(xì)分析了介電彈性體發(fā)電的基本原理、發(fā)電技術(shù)及其相比現(xiàn)有傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)所具備的優(yōu)勢。根據(jù)近年來人們對介電彈性體的研究，總結(jié)并提出了介電彈性體未來發(fā)展中可能存在的問題以及應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：介電彈性體;發(fā)電原理;應(yīng)用

0 引言

介電彈性體研究自20世紀(jì)90年代中期開始，作為一類重要的功能材料，介電彈性體各方面已得到各國學(xué)者廣泛研究，如非線性光學(xué)、鐵電、壓電元件和電致伸縮性等。近年來，通過改變形狀來響應(yīng)磁場、電場、壓力等外部刺激的聚合物研究越來越多，電活性聚合物可能是被研究最多的一類，介電彈性體作為電活性聚合物的一種，具有張力大、工作原理簡單的特點。介電彈性體在外部電場的刺激下可改變其結(jié)構(gòu)形狀或體積。當(dāng)物體外部承受電能的刺激動作停止時，即可自動恢復(fù)或回到原來的物體形狀或縮小體積，從而自動產(chǎn)生機械應(yīng)力和運動應(yīng)變，將外部電能自動轉(zhuǎn)化為電動機械的性能，機電轉(zhuǎn)換效率高。

1 介電彈性體中基質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)特征

1.1 ? ?聚丙烯酸酯類彈性體

聚丙烯酸酯彈性體，一種由丙烯酸乙酯和其他丙烯酸酯共聚而成的合成橡膠，外加少量（約5%）另一種含有活潑鹵素的化合物，如氯，用于彈性體的其他丙烯酸酯包括丙烯酸正丁酯、丙烯酸甲氧乙酯和丙烯酸乙酯，這些化合物具有良好的耐熱、耐臭氧、耐光和耐油性[1]。

目前，使用最廣泛的以丙烯酸酯為基礎(chǔ)的DES是商用丙烯酸酯材料，如3M商用膠帶VHB 4910和VHB 4905。亞克力材料因其低廉的價格、優(yōu)異的性能、對順應(yīng)電極的良好附著力等優(yōu)點而受到許多研究者的青睞。在高預(yù)應(yīng)變水平下，亞克力材料的最大應(yīng)力和驅(qū)動應(yīng)變分別達到7.7 MPa和380%，預(yù)拉伸后亞克力材料的電擊穿強度達到了空前的水平[2]。

1.2 ? ?硅樹脂及其復(fù)合材料

為了開發(fā)能在低電壓下活化的新材料，人們付出了很大的努力。其方法是提高彈性體的介電常數(shù)和降低彈性體的彈性模量。硅樹脂具有使用溫度范圍廣，化學(xué)反應(yīng)活性低，耐氧、臭氧和陽光照射，電絕緣性好，毒性低等特點。一些商業(yè)硅樹脂已經(jīng)被研究，如DEA。而硅樹脂材料的缺點是介電常數(shù)較低，因此要增加基礎(chǔ)偏置電壓和低抗斷裂性，這使得處理薄膜成為一個挑戰(zhàn)[3]。

近年來，為了提高硅橡膠的介電性能，大量研究工作都集中在提高硅橡膠的介電常數(shù)上。在基體中加入高介電常數(shù)陶瓷填料是提高彈性體介電常數(shù)的一種常用而簡單的方法，常用的填料有鈦酸銅鈣（CaCu3Ti4O12）、鈦酸鋇（BaTiO3）、二氧化鈦（TiO2）等，高介電常數(shù)剛性顆粒的加入使硅橡膠的介電常數(shù)顯著增加，同時硅橡膠的模量也增加，擊穿強度降低。Zhao等人將二氧化鈦作為高介電常數(shù)填料，二甲硅油（DMSO）作為增塑劑對硅橡膠進行改性，制備出高介電常數(shù)低模量硅橡膠復(fù)合材料。DMSO的膨脹作用使硅橡膠/TiO2復(fù)合材料的模量從820 kPa降低到95 kPa，雖然介電常數(shù)也降低了，但模量的降低更為顯著，因此硅樹脂復(fù)合材料的介電常數(shù)與彈性模量的比值（εr/Y）增大[4]。

1.3 ? ?聚氨酯及其復(fù)合材料

大多數(shù)聚氨酯彈性體的特征是通過相當(dāng)弱的分子間力將聚合物長鏈連接在一起。由于鏈的長度和混合，聚氨酯彈性體的分子結(jié)構(gòu)經(jīng)常被比作“意大利面”。這些長鏈對壓力反應(yīng)良好，可以很容易地恢復(fù)到原來的形式，而不會撕裂或斷裂。

研究表明，以二氧化鈦功能化石墨烯填充的聚氨酯介電彈性體作為柔性微驅(qū)動器，具有明顯的電刺激響應(yīng)和電場誘導(dǎo)應(yīng)變。將納米TiO2裝飾在石墨烯上可以大大提高石墨烯的親水性和潤濕性，從而改善填料與聚合物之間的界面相互作用。新型二氧化鈦功能化石墨烯-聚氨酯介電彈性體復(fù)合材料具有更高的介電常數(shù)、更小的損耗模量、更高的擊穿強度和更好的電刺激響應(yīng)，在38.7 V/μm條件下，石墨烯-聚氨酯介電彈性體復(fù)合材料的最大電致厚度應(yīng)變?yōu)?2.4%，是石墨烯-聚氨酯復(fù)合材料電致厚度應(yīng)變的1.8倍[5]。

2 介電彈性體發(fā)電的基本原理

介電彈性體材料的“應(yīng)變”是電致伸縮效應(yīng)和麥克斯韋應(yīng)力協(xié)同效應(yīng)的結(jié)果。

介電彈性體發(fā)電原理：發(fā)電模式實質(zhì)上是驅(qū)動模式的逆向過程，是將介電彈性體材料形變產(chǎn)生的機械能（彈性勢能）轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。先將電荷以拉伸狀態(tài)（高電容）放置在薄膜上，當(dāng)薄膜被允許收縮（低電容）時，薄膜中的彈性應(yīng)力對電場壓力起作用，從而增加電能，在微觀層面上，聚合物將相反電極上的相反電荷分開（收縮狀態(tài)下厚度增加）使相似的電荷在電極內(nèi)更接近（收縮狀態(tài)下，平面內(nèi)面積減?。＿@兩種對電荷的改變都增加了電壓差，從而增加了儲存的電能。其實現(xiàn)方式上與傳統(tǒng)壓電材料相似，但原理存在本質(zhì)區(qū)別：（1）即使只有很小的波動或形變，介電彈性體材料都能產(chǎn)生電能，而傳統(tǒng)的壓電材料通常需要較大的電流或沖擊力;（2）在每一循環(huán)中，介電彈性體的功率和轉(zhuǎn)換效率均明顯比其他壓電材料高。介電彈性體發(fā)電原理簡化如圖1所示。

3 介電彈性體的應(yīng)用

介電彈性體材料可應(yīng)用于能源生產(chǎn)（例如與發(fā)動機耦合或風(fēng)力或波浪發(fā)電）、人力發(fā)電（例如鞋和其他人力發(fā)電機）以及一些可用的機械低功率設(shè)備，如遠(yuǎn)程傳感器。介電彈性體為許多此類應(yīng)用提供了獨特的優(yōu)勢，例如高能量密度低，成本低，可以和多種能量源進行直接耦合，無須中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，并且能夠根據(jù)不用的應(yīng)用場景設(shè)計特定的功能或形狀。

3.1 ? ?鞋底發(fā)電機

鞋底發(fā)電機利用行走過程中產(chǎn)生的機械能使介電彈性體材料發(fā)生形變，從而產(chǎn)生電能，行走產(chǎn)生的大部分能量會在腳跟撞擊時丟失，所以產(chǎn)生器通常位于腳跟。該項研究曾使用電磁和壓電的腳跟沖擊發(fā)電機，一個普通人的體重50～100 kg可產(chǎn)生500～1 000 N的力，這導(dǎo)致可用能量估計為1～4 J，這由重量乘以位移得到，更詳細(xì)的分析將考慮一些因素，比如需要彈性地返回一些機械能以滿足鞋子的舒適性（這就減少了可用的能量）以及高于人的體重的動力（這會增加可用能量）。介電彈性體可直接耦合到腳跟沖擊載荷，2～6 mm的位移可以很容易地驅(qū)動聚合物達到50%～100%的區(qū)域應(yīng)變，這取決于配置，在實際裝置中，每獲得能量密度0.2 J/cm3，只需要5 g的聚合物。多層丙烯酸彈性體在鞋跟尺寸發(fā)電裝置中的產(chǎn)量表明機電轉(zhuǎn)換良好，該器件的輸出能量可高達0.28 J。

鞋底發(fā)電機測試正在達到一些便攜式應(yīng)用的有用功率水平。對于其他人力驅(qū)動應(yīng)用，介電彈性體能夠很好地解決由于技術(shù)原因或者無法支撐復(fù)雜昂貴設(shè)備成本的問題。

3.2 ? ?波浪能發(fā)電裝置

振蕩水柱型發(fā)電裝置是目前研究最廣泛和應(yīng)用較成功的波浪能發(fā)電設(shè)備之一，它主要由一個上下開口的空腔體、空氣渦輪和一臺發(fā)電機組成。中央空腔下端浸沒在海中，上端設(shè)有氣流通道，形成一個氣室。其工作原理為海浪的波峰從空腔體下端進入整個空腔并對空腔中的氣體進行壓縮，腔內(nèi)空氣由于壓力增大，氣體通過上部的氣流通道排出;而波谷時，內(nèi)部的空氣壓力降低，外部空氣就會經(jīng)由氣流通道輸送到空腔。進出空腔的氣體驅(qū)動空氣渦輪旋轉(zhuǎn)，將波浪能轉(zhuǎn)化為機械動能，這種自動化的工作模式使得波浪能設(shè)備裝置無須與海水接觸，可靠性高。該設(shè)備由于基本上處于海平面上，易于安裝和保養(yǎng);其缺點是建設(shè)成本較高，空氣渦輪轉(zhuǎn)換效率相對較低。

4 結(jié)語

介電彈性體具有許多獨特的特性，因此具有廣泛的應(yīng)用前景，如致動器、發(fā)電機、傳感器和可變阻抗裝置。隨著技術(shù)的發(fā)展，介電彈性體的應(yīng)用越來越多。從成本和性能的角度來看，介電彈性體是致動器的首選材料，為了實現(xiàn)該功能，必須深入了解介電彈性體的設(shè)計問題、性能和操作特性。在某些情況下，介電彈性體的高電壓要求將阻礙其應(yīng)用，而在其他情況下，高電壓可能是一個優(yōu)勢（例如減少傳輸和連接器損耗）。在任何情況下，使用介電彈性體都將需要并行開發(fā)高效或低成本的電子驅(qū)動電路。

[參考文獻]

[1] 劉浩亮，于迎春，顏莎妮，等.介電性彈性體的研究進展[J].特種橡膠制品，2011，32（1）：71-74.

[2] 鄂世舉，朱喜林，曹建波，等.介電彈性體材料機械能-電能轉(zhuǎn)換特性[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2010，41（9）：194-198.

[3] 鄂世舉，金建華，曹建波，等.波浪能捕獲及發(fā)電裝置研究進展與技術(shù)分析[J].機電工程，2016，33（12）：1421-1427.

[4] 杜冰心.基于電池儲能裝置的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析[D].成都：西南交通大學(xué)，2014.

[5] 俞洛伊，劉茜，廖發(fā)，等.新型電智能材料-電致動聚合物[J].黑龍江紡織，2015（1）：16-19.

收稿日期：2021-04-01

作者簡介：劉志運（1987—），男，河南信陽人，工程師，研究方向：機電系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)、新型功能材料應(yīng)用技術(shù)。