介电弹性体是一种电活性聚合物，在Maxwell应力下可以产生显著的可逆形变，将电能转换为机械能，具有形变量大（>100%）、能量密度高、控制简单、便于人机交互等优势，在柔性驱动器领域获得广泛关注。介电弹性体作为驱动器的供能模块，其功率密度直接决定了驱动器的性能。目前常用的介电弹性体主要分为两大类：丙烯酸酯和硅橡胶。丙烯酸酯弹性体具有高能量密度，但响应频率低；硅橡胶弹性体则与之相反。因此，实现高功率密度（>100 W/kg）通常需要高驱动电场（>40 MV/m），这对器件的绝缘和操作安全提出高要求、限制了介电弹性体柔性驱动器的应用。介电弹性体的功率密度与驱动电场近似成4次方关系。如何实现低场下高功率密度是一个具有挑战性的问题。
近期，清华大学电机系党智敏教授团队利用分子量差异巨大的两种交联剂构建了丙烯酸酯双模网络，大分子量交联剂赋予弹性体高弹性和较低模量，少量的小分子量交联剂缩短交联点间平均分子量，加快应力传导速度，提高弹性体驱动响应频率特性（图1）。该丙烯酸酯弹性体在保留丙烯酸酯弹性体高介电常数和高能量密度优势的同时具备了可比拟硅橡胶弹性体的低模量和高驱动频率（~200 Hz）。在低驱动电场下，该双模网络弹性体具有高功率密度（154 W/kg@20 MV/m），超过了哺乳动物骨骼肌的典型值（50 W/kg）。更进一步，作者们基于该先进材料制备了柔性无磁旋转电机，测试了电机在不同驱动电场和频率下的转速特性。电机转速展示了多个共振峰，并在125 Hz附近达到最高转速，表明在该频率附近弹性体具有最高的输出功率。在19.6 MV/m、125 Hz的驱动电场下，该电机转速达到1245 rpm，远高于目前已报道的丙烯酸酯弹性体电机（<200 rpm, >40 MV/m）（图2）。该工作以“A high-response-frequency bimodal network polyacrylate elastomer with ultrahigh power density under low electric field”为题发表在《Nature Communications》（Nature Communications (2024) 15:9819）。文章的第一作者是清华大学电机系博士后尹丽娟博士。该研究得到国家自然科学基金委、中国博士后科学基金等项目的支持。
图1 丙烯酸酯双模网络的构建、微观结构、组成表征
图2 丙烯酸酯弹性体功率密度特性和柔性旋转电机
该研究团队在丙烯酸酯弹性体和柔性旋转电机的领域开展了多年的研究，2021年在Nature Communications发表过题为“Soft, tough, and fast polyacrylate dielectric elastomer for non-magnetic motor”工作，关注丙烯酸酯弹性体的低场驱动和快速响应问题（Nature Communications (2021) 12:4517，https://doi.org/10.1038/s41467-021-24851-w ）。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-54278-y
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