基于介电弹性体的三明治力电转换薄膜制备方法研究

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目前,介电弹性体作为新型材料被广泛应用于驱动、发电等领域,具有广阔的应用空间和前景。各种应用的核心单元部件都为三明治结构的力电转换薄膜,这种薄膜由中间介电弹性体(Dielectric elastomer,简称DE)层及上下柔性电极材料层构成。这种三明治结构复合薄膜除了需要具有较高的层间粘合性外,其中间层的介电材料需要有较高的介电常数、断裂伸长率,上下层的电极材料需要有较高的电导率、大应变下的导电稳定性。目前,这种三明治结构的力电转换薄膜制备的主要方法是将电极材料,通过喷涂、刮涂和化学沉积等方法附着在介电材料薄膜表面。这些方法适合实验室小批量制备,不能大批量生产且加工精度难以保证。本课题主要依据所选用的不同介电与电极材料性质,对三明治结构的力电转换薄膜批量加工方法进行试验验证与加工尝试。具体研究内容如下:(1)研发了一种低黏度的膏状电极,并对电极的电导率、大应变下的电导稳定性进行了表征。电极基体为聚二甲基硅氧烷(简称PDMS),填料为多壁碳纳米管(简称MWCNTs)、导电碳脂(简称CG)。综合性能最优的电极配方的配比为PDMS:MWCNTs:CG=100:50:20,这种电极在保证大应变下电导稳定性较高、黏度较低的前提下,电导率高达21.33S/m。(2)选用甲基乙烯基硅橡胶(简称PMVS)为介电材料,同时自制了低黏度膏状电极材料,提出了“热压-刮涂法”制备三明治力电转换薄膜的方法。测试发现,制备的三明治结构复合薄膜具有良好的力学性能、较好的层间粘合强度和优良的发电性能。(3)为进一步提高三明治结构力电转换薄膜的性能与制备效率,同时满足各种应用场景下的叠层需求,本课题提出了“共挤复合法”制备13层三明治结构力电转换薄膜的方案,确定了共挤复合流道的结构,基于流场和压力场的模拟确定了流道参数,在此基础上,完成了共挤复合模具的设计和制造。(4)采用设计制造的13层共挤复合模具进行了共挤复合实验。实验证明了多层共挤复合方法的可行性;实验同时表明,介电弹性体的高黏弹流变特性导致流道设计明显有别于热塑性塑料的共挤复合模具;高黏弹介电弹性体在挤出过程具有很低的临界剪切速率,很容易产生熔体破裂。通过实验以及基于实验现象和实验数据的模拟分析,提出了模具流道和共挤复合工艺的调整和优化建议。
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