【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】高介電常數(shù)彈性體具有柔軟、可拉伸、響應(yīng)快和可靠性高等特點(diǎn)，是一種用途廣泛的材料，可應(yīng)用于人工肌肉、驅(qū)動(dòng)、傳感、信息處理和能量存儲(chǔ)等領(lǐng)域。彈性體既能適應(yīng)生物組織的應(yīng)變，又能在人體運(yùn)動(dòng)過程中保持電氣穩(wěn)定性，因此特別適用于可穿戴電子設(shè)備。前期，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所前沿交叉科學(xué)研究中心彈性鐵電材料與器件課題組報(bào)道了在 1 kHz 時(shí)介電常數(shù)高達(dá) 35.4(100 Hz 時(shí)介電常數(shù)高達(dá) 54.2)的本征彈性體( Advanced Materials, 2024, 36, 2404001)，這種彈性體通過利用 “微交聯(lián) ”法對(duì)與軟長(zhǎng)鏈交聯(lián)的弛豫鐵電聚合物進(jìn)行彈性化，以平衡材料的鐵電性和彈性。然而，軟長(zhǎng)鏈交聯(lián)的本征彈性體材料在交變電場(chǎng)下的介電弛豫和高流動(dòng)性會(huì)導(dǎo)致大量能量耗散，從而導(dǎo)致大量介電損耗。從實(shí)際應(yīng)用的角度來說，如在介電驅(qū)動(dòng)器和電容式傳感器中，在強(qiáng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)條件下，高介電損耗會(huì)導(dǎo)致機(jī)電設(shè)備產(chǎn)生大量熱量，降低設(shè)備靈敏度甚至導(dǎo)致設(shè)備失效，除此以外，高介電損耗還會(huì)出現(xiàn)泄漏電流增大和擊穿強(qiáng)度降低等問題，對(duì)設(shè)備造成不利的影響。因此，找到一種簡(jiǎn)單有效的策略來降低高介電常數(shù)彈性體的介電損耗，對(duì)于提高設(shè)備壽命、保持高性能、確保可穿戴電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。
 

　　為了解決上述問題，寧波材料所前沿交叉科學(xué)研究中心胡本林研究員帶領(lǐng)彈性鐵電材料與器件課題組通過采用剛性短鏈交聯(lián)劑與弛豫型鐵電材料 P(VDF-TrFE-CFE) 進(jìn)行交聯(lián)，利用弛豫型鐵電材料的彈性化成功設(shè)計(jì)了一種具有高介電常數(shù)低介電損耗的本征彈性體材料。交聯(lián)P(VDF-TrFE-CFE) 的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線下面積變得更小，在60%應(yīng)變下彈性回復(fù)率超過70%。該彈性體材料在室溫下(25℃)在1 kHz時(shí)具備~35的高介電常數(shù)，介電損耗小于0.1。與長(zhǎng)鏈交聯(lián)劑相比，將材料的介電損耗降低了70%。除此之外，該彈性體材料具備良好的鐵電性、壓電性和熱穩(wěn)定性，制備的彈性器件在80%的應(yīng)變下仍具備穩(wěn)定的鐵電響應(yīng)。
 

　　相關(guān)結(jié)果以“Reducing Dielectric Loss of High-Dielectric-Constant Elastomer via Rigid Short-Chain Crosslinking”為題發(fā)表于Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.202411082)。寧波材料所碩士生李方舟為第一作者，寧波材料所胡本林研究員為通訊作者。該研究得到了浙江省自然科學(xué)基金(LR24E030003)、浙江省錢江人才計(jì)劃(ZJ-QJRC-2020-32)和國(guó)家自然科學(xué)基金(12172318)等的支持。
 

圖1 高介電常數(shù)和低介電損耗彈性體的設(shè)計(jì)理念
 

圖2 交聯(lián)P(VDF-TrFE-CFE) 彈性體的機(jī)械特性
 

圖3 交聯(lián) P(VDF-TrFE-CFE) 彈性體的鐵電特性