[发明专利]基于负泊松比介电弹性体的电活性聚合物

说明书

本发明公开了一种基于负泊松比介电弹性体的新型电活性聚合物，包含弹性膜、以及弹性膜两侧的柔性电极；弹性膜两侧的柔性电极均匀涂覆在弹性膜的上下表面，厚度小于弹性膜的厚度、杨氏模量小于弹性膜的杨氏模量，分别用于和外部电压的正负极相接。两侧的柔性电极在施加电压时，弹性膜同时沿厚度方向、长度方向、宽度方向收缩，体积减小，材料密度、刚度和承载能力增加，机械损坏、电击穿、机电耦合失稳的失效极限提高，从而具有比传统介电性电活性聚合物更加优异的机电性能。

技术领域

本发明涉及一种电活性聚合物，尤其涉及一种基于负泊松比介电弹性体的电活性聚合物。

背景技术

负泊松比材料又称为拉胀材料(Auxetic)，是一类泊松比为负值的功能材料，当材料发生拉伸变形时，垂直于载荷的方向会发生侧向膨胀；而当材料发生压缩变形时，垂直于载荷的方向会发生侧向收缩。因此材料会自动集中于加载处从而能够更有效地承受载荷，材料的刚度也会随着载荷的增加而非线性增大，因此负泊松比材料具有较高的剪切模量和回弹韧性，具有优异的力学性能。

电活性聚合物是一类在电场和电压激励下可以产生位移和载荷变化的柔性功能材料，此外，其位移和载荷情况的改变也会引起电场和电压的显著变化，因此电活性聚合物的载荷、位移、电场和电压状态是相互耦合的，其中任一状态的改变将会引起其他某一个参数状态或某几个参数状态的变化。电活性聚合物主要可分为离子型和电场型两大类：离子型电活性聚合物是以化学能作为过渡实现电能与机械能之间的转化，其优点是驱动电压低和变形大，但响应较慢且能量密度低，因此难以适用于动态工况下的吸能部件。电场型电活性聚合物可进一步分为压电型和介电型：压电型电活性聚合物在电场激励下材料本身会产生电致应力，直接实现电能与机械能之间的转换，但变形较小且效率较低；介电型电活性聚合物在电场激励下通过两侧电极产生的静电库仑力实现能量转换，其特点是响应快、变形大(最大面积应变可达380％)、能量密度较大且能量转换效率很高(最高达90％)。基于上述特点，介电型电活性聚合物通常也被成为人造肌肉。介电型电活性聚合物的另一个优点是成本便宜，因此有望得到广泛的应用。

传统介电型电活性聚合物在受到电场和电压激励下，会在两侧柔性电极处分别累积正负电荷，从而产生静电效应并形成库仑力，库仑力作用在电活性聚合物的厚度方向，电活性聚合物沿厚度方向被压缩发生侧向拉伸，厚度尺寸减小，面积增加，随着电活性聚合物厚度的不断减小，容易发生机械损坏、电击穿、机电耦合失稳等问题，不利于电活性聚合物的的大规模应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中传统介电型电活性聚合物中由于静电库仑力所引起的变形较大时，会降低其刚度和承载力的缺陷，提供了一种基于负泊松比介电弹性体的电活性聚合物，通过该电活性聚合物负泊松比特性的应用可以实现电活性聚合物的形状、密度和刚度的实时可变，改善传统介电型电活性聚合物随着变形的增加，其刚度和承载能力下降的缺点，并且能够同时实现弹性元件、减振元件、传感器元件、致动器元件和能量回收元件的集成化、电子化、信息化和智能化。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于负泊松比介电弹性体的电活性聚合物，包含弹性膜、以及弹性膜两侧的柔性电极；

所述弹性膜两侧的柔性电极均匀涂覆在弹性膜的上下表面，厚度小于弹性膜的厚度、杨氏模量小于弹性膜的杨氏模量，分别用于和外部电压的正负极相接；

所述弹性膜采用负泊松比介电弹性体材料，该材料由多孔介电弹性体材料加热到稍高于其热软化温度范围时、同时施加三个正交方向的压缩力来进行制备；

所述弹性膜两侧的柔性电极在施加电压时，弹性膜同时沿厚度方向、长度方向、宽度方向收缩，体积减小，材料密度、刚度和承载能力增加，机械损坏、电击穿、机电耦合失稳的失效极限提高。