【摘 要】
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介电弹性体(Dielectric elastomer,DE)是一类可在电场的作用下产生较大形变的且恢复速度较快的电场型电活性聚合物材料。其具有高能量密度、大应变、低质量、商业化的优点,成为最受广泛关注和研究的电活性聚合物材料。本文选择了钛酸铜钙(CCTO)颗粒作为填充相,以硅橡胶(PDMS)作为基体,制备了CCTO/PDMS新型介电弹性体材料。分析了介电弹性体的结构,并测试其力学性能、介电性能和驱
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介电弹性体(Dielectric elastomer,DE)是一类可在电场的作用下产生较大形变的且恢复速度较快的电场型电活性聚合物材料。其具有高能量密度、大应变、低质量、商业化的优点,成为最受广泛关注和研究的电活性聚合物材料。本文选择了钛酸铜钙(CCTO)颗粒作为填充相,以硅橡胶(PDMS)作为基体,制备了CCTO/PDMS新型介电弹性体材料。分析了介电弹性体的结构,并测试其力学性能、介电性能和驱动形变量。再分别使用三种硅烷偶联剂对CCTO进行改性,选取分散效果最好的改性粒子,制备介电弹性体材料,测试其性能,并与未改性前的介电弹性体材料进行对比。最后利用有限元分析的方法,将实际试验结果与仿真结果进行对比研究。结果表明:随着CCTO的含量增加,介电弹性体的介电常数和弹性模量也随之增加,介电损耗在100 Hz的频率下基本保持不变。当填充量达到20 wt%时,介电弹性体的介电常数达到了5.8(100 Hz),提升了120%,而此时的介电损耗仅0.0038,弹性模量仅0.54 MPa,电导率低于10-7。填料量为5 wt%时,应变参数为纯PDMS的2.5倍,驱动形变量达到了33.8%。通过结构表征,三种硅烷偶联剂成功改性CCTO。通过对比扫描电镜的结果,发现KH560改性后的CCTO在PDMS基体中的分散性最好。基于此,制备了改性CCTO/PDMS介电弹性体。分散性的改善对介电常数均有所提升,与未改性的PDMS相比,填量含量为20 wt%时,介电常数达到了6.5(100 Hz),与未改性的PDMS相比增长了150%。但弹性模量的提升更大,导致其应变参数有所下降,机电转化效率并未明显提升。当改性CCTO颗粒的填充量为5 wt%时,介电弹性体的驱动形变为27.4%。利用COMSOL软件对介电弹性体进行建模,利用有限元分析(FEM)的方法进行求解的结果在低场强下仿真结果和实验结果相差不大,而高场强下仿真得到的数据高于实验结果。确定了Maxwell应力主要分布在内表面的Z轴方向,并基于热力学模型得到其最大变形极限为68.449。
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