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電活性聚合物
本詞條是多義詞，共2個義項
有特殊電性能和機械性能的材料
電活性聚合物EAP是一種智能材料，具有特殊的電性能和機械性能。這種聚合物在受到電刺激后，產生微小形變。因此，從上世紀90年代初開始，電活性聚合物以較強的誘導形變能力引起許多學科的科學家和工程師的關注。EAP材料的性能由許多因素決定，如輸出應變、驅動應力、彈性能密度、響應時間及理論效率等。
基本信息
| 中文名 | 電活性聚合物 |
| 外文名 | electroactivepolymer |
| 拼音 | dianhuaxingjuhewu |
| 特點 | 具有特殊的電性能和機械性能 |
| 分類 | 電子型EAP和離子型EAP |
| 來源 | 19世紀80年代 |
| 性質 | 是一種智能材料 |
收起
聚合物簡介
電活性聚合物(Dielectric Electro Active Polymer，DEAP)也是介電彈性體(Dielectric E— lastomer，DE)，是一種智能材料，因其獨特的電性能和機械性能而嶄露鋒芒。20世紀90年代 初，基于電活性聚合物材料的人工肌肉驅動器 得到快速發(fā)展。與傳統(tǒng)的壓電材料相比，這種聚合物材料具有更大的應變能力，且重量輕、驅動效率高、抗震性能好，是最具有發(fā)展?jié)摿Φ姆律牧现弧?/span>
電活性聚合物設計、合成和加工方面的研究都有了很大的進展。美國斯坦福研究院采用3M公司生產的聚丙烯酸橡膠 VHB2910和VHB2905制造了預應變的致動器。丹麥的丹佛斯利用軟硅樹脂和銀粉柔性電極制造 了非預拉伸單層薄膜致動器，其厚度是微米級的。電活性聚合物在直流電作用下會產生大幅度的應 變(如聚丙烯酸橡膠，其線性應變可達380%，且能鼉輸出也很高)。且反應速度快(微秒級)，變 形率大(與壓電陶瓷等傳統(tǒng)的電致伸縮材料相比)，這些特點使得這類材料成為微型機械中致動器及傳感器的基礎材料，并且得到了廣泛的應用。但其在發(fā)電方面的研究與應用尚處于起步階段。
利用電活性聚合物收集風能、波浪能等綠色能源發(fā)電，開發(fā)新型可再生、低廉、環(huán)境友好、清潔的能源，可以促進世界能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。
發(fā)展歷史
電活性聚合物的起源可以追溯到19世紀80年代，機電響應現(xiàn)象首次被發(fā)現(xiàn)。20年后有人將場致應變的規(guī)律總結成公式。上世紀20年代壓電聚合物的發(fā)現(xiàn)，是電活性聚合物發(fā)展史的重要里程碑。40年代末，人們發(fā)現(xiàn)了化學活性聚合物，例如膠原質絲浸泡在酸或堿溶液中時，可以可逆伸縮。但是，關于“化學-機械”的驅動器卻很少有人研究，直到仿生肌肉用合成聚合物發(fā)展起來。隨著電激勵技術的發(fā)展，人們開始關注EAP材料。1969年發(fā)現(xiàn)PVDF具有壓電行為后，科學家開始挖掘其它聚合物體系，一系列的EAP材料應運而生。近10年來,EAP材料發(fā)展迅速，開發(fā)了一系列具有優(yōu)異性能的EAP材料，某些EAP材料的形變量甚至可以達到300%。
分類
按照作用機理的不同，電活性聚合物（EAP）主要分為兩大類，電子型EAP和離子型EAP。
電子型EAP包括全有機復合材料(AOC)、介電EAP(DEAP)、電致伸縮接枝彈性體(ESGE)、電致伸縮薄膜(ESP)、電致粘彈性聚合物(EVEM)、鐵電體聚合物(FEP)和液晶彈性體(LCE)等。
對于電子型EAP,在電場作用下庫侖力誘導產生電致伸縮效應以及靜電、壓電和鐵電效應，而且這種EAP材料可在直流電場作用下產生誘導位移。但是，在一定的電致伸縮效應時，電子型EAP需要較高的激勵電場(>100V/μm),該電場接近材料的擊穿電場。而離子型EAP是由兩個電極和電解液組成的，離子遷移或分散作用，可以使這類材料在較低電壓下(1～ 2V)產生激
勵作用，并產生誘導彎曲位移。
這類EAP材料的缺點是需要保持一定的濕潤度，而且在直流電場激勵下很難保持穩(wěn)定的誘導位移(導電聚合物除外)。
電子EAP材料
電致伸縮接枝彈性體
電致伸縮接枝彈性體，由柔性主鏈和支鏈組成。支鏈與相接近的主鏈物理交聯(lián)，形成晶體單元。柔性主鏈與結晶的接枝單元由帶有電荷的極性單體合成，可以產生偶極矩，并使結晶支鏈誘導極化。在施加電場的情況下，偶極子產生轉矩作用，刺激結晶支鏈的極化單元旋轉，主鏈局部重排，導致彈性體變形。接枝彈性體的優(yōu)點是比其它電致伸縮聚合物的硬度高。
電致伸縮薄膜
電致粘彈性聚合物
電致粘彈性聚合物由硅橡膠和極化相組成。在未硫化交聯(lián)之前，這種材料就像電致粘彈液體。施加電場后，材料固化，極化相在彈性體基體中定向排列。因此，這種材料具有“固態(tài)”相，且剪切模量隨電場(<6V/μm)變化。這種材料能獲得50%的剪切模量，可以代替電致流變液體作為阻尼材料，還可以用來制造精確控制閉合回路系統(tǒng)的機器人胳膊。
鐵電聚合物
壓電現(xiàn)象是一種存在于一類特定晶體———鐵電體中的獨特效應。壓電材料在施加電場時產生伸縮變形，相反在施加壓力時產生電壓。這種材料可以在空氣、真空或水中使用，而且使用溫度范圍相當寬。聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物是最常見的鐵電聚合物。由于它們具有良好的柔韌性并易制成大面積的薄膜，因而在音頻和超聲傳感器、生物醫(yī)學傳感器、機電換能器以及熱釋電和光學器件中具有重要的應用前景。在水聽器，醫(yī)用超聲傳感器和機器人探測器等領域已獲得實際應用。
全有機復合材料
全有機復合材料是將具有高介電常數(shù)的有機填料分散到一種電致伸縮聚合物基體中，在保持基體柔性的基礎上同時具有較高的介電常數(shù)。這種聚合物基復合材料在較低的電場下可以實現(xiàn)較高的應變量，與此同時，既大大地增加了有機材料的介電常數(shù)，也有效地改善了材料的“有效”擊穿強度。
液晶彈性體
離子EAP材料
碳納米管
碳納米管是一種高性能，多功能復合材料，具有高長徑比、直徑小、質量輕、機械強度高(類似于金剛石)、導電導熱性好、熱穩(wěn)定性好、空氣中穩(wěn)定性好等優(yōu)點。在注入離子后，納米管和電解液的離子電荷平衡被破壞，鍵長改變產生電活性。注入的電荷愈多，尺寸變化愈大。因此，人們希望得到CNT/聚合物納米復合材料，使易于加工的聚合物基體具備CNT的優(yōu)點。
電致流變液體
電致流變液體是一種低介電液體，其中含有電子極化粒子。施加電場后，懸浮離子極化。幾毫秒后，在電場方向產生原纖化作用，表觀粘度增加。ERF具有響應時間短，消耗功率低，性能穩(wěn)定，加工簡單等性能。因此，可以用在機械工程(例如發(fā)動機防震墊、減震器、離合器電致流變閥門機器人手臂等)和一些控制系統(tǒng)。ERF被開發(fā)用作一些新的設備上，例如人工肌肉激勵器、宇宙飛船減震器、電致觸感顯示器、光子晶體等。
導電聚合物
導電聚合物材料是一類兼具高分子特性及導電體特征的高分子材料。根據電荷載流子的種類，導電聚合物被分為電子CP和離子CP。以自由電子或空穴為載流子的導電聚合物稱為電子CP,其共同特征是分子內含有大的線性共軛π電子體系。電子CP主要有聚乙炔、芳香單環(huán)、多環(huán)以及雜環(huán)的共聚物或均聚物。以正、負離子為載流子的導電聚合物稱為離子CP,主要有聚醚、聚酯和聚酰亞胺。這些聚合物分子的聚合物溶劑化能力強，有利于鹽解理成離子或形成聚和絡合物。需要指出的是，僅有長鏈共軛體系的聚合物只能算作是半導體，其導電能力還無法與金屬導體相比，因此需要摻雜微量添加劑來提高其導電能力。
離子聚合物凝膠
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