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西安交通大学丁书江教授团队NPG Asia Materials介电凝胶:高介电常数,低弹性模量和优异透明性
2018-09-04 来源:中国流变网    点击次数:233次    

  聚合物电介质作为一种多功能柔性电绝缘体,在电力系统,柔性电子器件和柔性机器人等各种现代技术中得到了广泛应用。介电的软材料具有在电场作用下发生形变的能力,即电驱动响应性,其中,介电弹性体已成为“人工肌肉”的代名词。然而驱动所需的高电压和及材料较差的机械可靠性阻碍了其在实际中的应用。提高介电常数和降低聚合物电介质的弹性模量是降低驱动电压的有效方法。然而,传统的聚合物电介质的相对介电常数偏低,一般小于10。通过将导电颗粒或高介电常数陶瓷填充到聚合物中可以有效增加它们的介电常数,但这些刚性填料也显著的增加了材料的弹性模量并降低了延展性能。

  另一方面,具有光学透射功能的聚合物电介质已经成为新一代柔性显示器、柔性触摸屏面板中具有广大应用前景的新兴材料,开发具有高光学透射性质的聚合电介质已经成为时下的研究热点。

  近日,西安交通大学丁书江教授领衔的研究团队在自然出版集团旗下期刊NPG Asia Materials上发表了题为“Dielectric gels with ultra-high dielectric constant, low elastic modulus and excellent transparency”的论文。西安交通大学卢同庆教授以及深圳大学第一附属医院谭回研究员为共同通讯作者,文章第一作者为西安交通大学理学院博士生石磊。该文章被选为期刊亮点文章(Featured article),在网站首页(Top page)上进行展示。在文章的接收函中,编辑写道“Your paper is considered to be a significant contribution to the field, and we appreciate the opportunity to publish it in this journal”。凝胶是一种含有大量溶剂的三维聚合物网络体系,具有高弹性和透明性的特点。

  本研究提出介电凝胶这一新材料体系,将锂电池电解液中常用的高介电常数溶剂碳酸丙烯酯(PC)以及碳酸乙烯酯(EC)作为凝胶的溶剂,ACMO作为聚合物单体,制备出的介电凝胶实现了:超高的介电常数(30~50),较低的弹性模量(20 KPa~60 KPa)以及优异的透明性(99%,100um)。此外,这种介电凝胶显示出较高的拉伸性(拉伸倍数约10)和较低的机械滞后性。电驱动实验表明,与通用的介电弹性体VHB4905相比,此介电凝胶在相同驱动应变下所需的驱动电压减少了一半。此外,研究人员以介电凝胶为基础,制备出可以通过电压来快速调焦的“人工眼球”。

图1 介电凝胶的基本设计和制造过程。(A) 电介质凝胶的示意图。其中凝胶体系中的聚合物链和溶剂均为电介质材料。(B) 组成成分: 4-丙烯酰吗啉单体(ACMO); N,N''''-亚甲基双(丙烯酰胺)交联剂,(MBA); 1-羟基环己基苯基酮光引发剂;碳酸亚丙酯(PC)和碳酸亚乙酯溶剂(EC)。(C) 介电凝胶的制造过程: 通过光引发聚合在几分钟内合成凝胶。(D) 用于展现良好拉伸性和高透明度的介电凝胶照片。上图为未拉伸状态的凝胶,下图为拉伸状态的凝胶。

图2介电凝胶的性能展示,其中聚合物和溶剂含量各自固定在50%质量比。(A) 不同交联剂含量(与标记的单体的摩尔比)的电介质凝胶的应力—应变曲线。每个凝胶被拉伸至破裂。(B) 弹性模量(由应变为10%的应力—应变曲线计算)和断裂应变与交联剂含量的影响关系。 (C) 电介质凝胶的循环加载(交联剂含量为0.15%)。初始加载循环设定为应变100%,在加载卸载循环后,样本在第二个循环中立即重新加载至应变300%,然后在第三个循环中应变500%。(D) 不同体积比PC以及EC / PC溶剂的介电凝胶的介电常数与测试频率的关系图。 (E) 不同体积比PC以及EC / PC溶剂的介电凝胶的介电损耗因数测试频率的关系曲线。 (F)在可见光范围内1mm厚的电介质凝胶的透射率测试。

图3. (A) 不同材料的介电常数(测试频率,1KHz)于弹性系数对比图。(B) 不同材料的介电常数(测试频率,100KHz)于透明度对比图。

图4. (A)介电凝胶(左)和VHB 4905(右)的电压诱发变形。两种材料具有相同的原始直径和厚度。(B) 80%聚合物含量的电介质凝胶在室温下的施加电压函数的应变幅度图。(C) 室温下不同聚合物含量的介电凝胶的施加电压函数的应变幅度图。(D) 由介电凝胶制备的生物感应隧道透镜展示。透镜的焦距可以通过改变施加的电压来调节。

  该工作成功设计并合成出一种新型的聚合物基介电材料。制备出超高介电常数,低弹性模量和优异透明度三种特性的凝胶材料。并且此凝胶呈现出高拉伸性(拉伸约为10),低机械滞后的特性。此外作者还通过制造一个简易的生物激发可调透镜展示出此介电凝胶的使用,其焦距可以通过改变所施加的电压来调节。介电凝胶能够为软机器人,传感器,电子设备,光学设备以及仿生学设备提供了广阔的应用前景。

  本研究由国家自然科学基金项目(编号:51773165, 61704096),中央高校基本科研业务费(xjj2015119)和深圳市科技创新委员会(JCYJ 20170817171930009)资助。

团队介绍

丁书江,1978年生于黑龙江省哈尔滨市,理学院教授。教育部“新世纪优秀人才”,陕西省“青年科技新星”。研究工作涉及电化学储能材料与器件、电活性聚合物等,包括聚合物电解质、固态电池、水系电池、锂硫电池、锂/钠离子电池、超级电容器、电催化等。以第一作者或者通讯作者身份在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. int. Ed., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Energy Storage Mater., Chem. Mater., Chem. Commun., J. Mater. Chem A, Nanoscale等期刊上发表论文百余篇,其中14篇论文入选“基本科学指标数据(ESI)”高被引论文,1篇论文入选ESI Hot Paper。并担任多个著名国际学术期刊的审稿人。在研项目包括国家自然科学基金面上和青年项目,博士点基金、陕西省基金等。

  近年来,丁书江教授课题组在电功能聚合物以及纳米能源材料的研究方向开展了比较系统的工作,并且取得了一系列具有影响力的进展。相关成果相继发表在:

Nature Communications, 2018, doi: 10.1038/s41467-018-05165-w

Journal of Membrane Science, 2018, 563, 277-283

Energy Storage Materials, doi: 10.1016/j.ensm.2018.05.019.

Journal of Materials Chemistry A, 2018, DOI: 10.1039/C8TA03799J.

Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5, 8062.

Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5, 17963.

ACS applied materials & interfaces, 2017, 5, 4597.

Electrochimica Acta, 2017, 230, 181.

Nano Energy, 2016, 27, 457.

ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, 7 (43), 23885.

Journal of Power Sources, 2016, 303, 22.

Nano Energy, 2015, 16, 152.

Nano Energy, 2015, 12, 538.

Energy & Environmental Science, 2015, 8, 1707.

Angewandte Chemie International Edition, 2014, 53, 12803.

Nanoscale, 2014, 6, 5746.

Advanced Energy Materials, 2014, 4, 1400902

  文章链接

  Lei Shi, Ruisen Yang, Shiyao Lu, Kun Jia, Chunhui Xiao, Tongqing Lu*, Tiejun Wang, Wei Wei, Hui Tan*, Shujiang Ding*. NPG Asia Materials, 2018, doi:10.1038/s41427-018-0077-7 (2018).

  https://www.nature.com/articles/s41427-018-0077-7

 
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