【摘 要】
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介电弹性体发电机(DEG)主要由介电弹性体(DE)薄膜与涂覆在其上下表面的DEG电极组成,能够通过DE的拉伸可变电容原理将机械能转换为电能,是一种新兴的能量收集装置。为制备长寿命高发电的DEG,其电极材料需要满足高粘结性、高断裂伸长率、高顺从性、高电导率、大应变下高导电稳定性、高疲劳等要求。目前DEG的电极材料主要使用未交联的商业导电碳脂,其与基体材料的粘接性弱,且长期工作稳定性较差,已经成为了实
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介电弹性体发电机(DEG)主要由介电弹性体(DE)薄膜与涂覆在其上下表面的DEG电极组成,能够通过DE的拉伸可变电容原理将机械能转换为电能,是一种新兴的能量收集装置。为制备长寿命高发电的DEG,其电极材料需要满足高粘结性、高断裂伸长率、高顺从性、高电导率、大应变下高导电稳定性、高疲劳等要求。目前DEG的电极材料主要使用未交联的商业导电碳脂,其与基体材料的粘接性弱,且长期工作稳定性较差,已经成为了实用型DEG发展的瓶颈。本项目设计制备了导电炭黑/硅橡胶电极材料及导电炭黑/导电碳脂/硅橡胶电极材料,并采用所得电极材料制备了DEG,探明了电极材料的导电性和导电稳定性对DEG发电性能(电容、发电量、充电损耗和转换效率)的影响,通过电极材料的结构和性能调控,制备了综合性能优异的DEG元件,主要得到了以下结论:(1)制备了超导炭黑/硅橡胶(ECB/PDMS)复合电极材料,通过超声破碎-冷冻干燥-掩膜刮涂固化的制备工艺,有效促进了碳黑的分散,获得了高电导率与高断裂伸长率;进一步调节ECB的填充份数,制备了兼具高粘结性、高顺从性、高导电性的交联型DEG电极材料。研究了电极电阻与发电量和充电损耗的关系,发现电极工作导电阈值为0.1 S/cm,当炭黑含量为5 wt%时,电极电导率达到0.17 S/cm,所制备的DEG产生的最大发电量为5.89 mJ,最大机电转换效率为6.36%。与碳脂电极制备的DEG相比,发电量相近,充电损耗降低46.7%;但输入的机械功更大,机电转换效率有所降低。(2)进一步制备了导电炭黑/导电碳脂/硅橡胶(ECB/CG/PDMS)复合电极材料,通过引入导电碳脂,提升了硅橡胶的分子链运动能力,有利于炭黑重排,显著提升了复合材料在大应变下的导电稳定性;同时降低了复合材料的弹性模量,有利于提高机电转换效率。通过调节炭黑、导电碳脂、端羟基硅橡胶的含量,以调控复合电极的电导率、循环寿命和导电稳定性,结果表明当添加40 wt%的碳脂与5 wt%的导电炭黑时,复合电极材料综合性能优异,未拉伸初始电导率达到0.14 S/cm,10000次拉伸循环后电导变化率不超过20%。将所制备的电极材料用于DEG后,产生的最大发电量达到11.4 mJ,最大机电转换效率达到12.8%,较商业碳脂分别提升59.6%和49.5%,充电损耗低至0.0075 mJ,较商业碳脂降低67.4%。
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