硅橡胶介电弹性体的研究进展.pdf
《硅橡胶介电弹性体的研究进展.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《硅橡胶介电弹性体的研究进展.pdf(9页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、技术进展 ():硅橡胶介电弹性体的研究进展费华峰 喻 研 张志杰(中国科学院化学研究所 北京)摘要:硅橡胶由于其机械能转化效率高、良好的耐候性、良好的剪切稳定性、低毒性、宽使用温域以及对空气湿度不敏感等因素 成为一种很有应用前景的介电弹性体材料 然而 硅橡胶的低介电常数限制了它作为介电弹性体材料的使用 本文从硅橡胶复合材料、聚硅氧烷与其它聚合物共混、化学修饰聚硅氧烷三方面入手 综述了近些年提高硅橡胶介电弹性体介电常数的研究进展关键词:硅橡胶 介电弹性体 介电常数 复合材料中图分类号:文献标识码:/.收稿日期:作者简介:费华峰()男 研究员 理学博士 主要从事功能有机硅材料的研究:():.:介电
2、弹性体是由夹在两个薄而柔顺的电极之间的弹性体薄膜组成 其形成一个能够将电能转换为机械能的电容器 具有质轻、机械强度高、价格低廉、应变大、响应速度快、柔韧性好和能量密度高等优点 可用于固态飞行器、驱动器和夹持器等各个方面 在航空航天领域显示出了巨大的应用前景 激发了人们越来越多的研究兴趣 其中 硅橡胶由于其机械能转化效率高、耐候性好、剪切稳定性高、低毒、宽使用温域和对空气湿度不敏感等优点而成为介电弹性体驱动器最常使用的材料之一 然而 硅橡胶介电常数较低()导致其应用受到限制 本文从硅橡胶复合材料、聚硅氧烷与其它聚合物共混、化学修饰聚硅氧烷这三个方面入手综述了提高硅橡胶介电弹性体介电常数的研究进展
3、 并展望了硅橡胶介电弹性体未来的发展方向 以期为后续进一步研发提供参考 硅橡胶复合材料 高介电无机填料向硅橡胶体系中加入高介电常数的填料 是提高硅橡胶复合材料介电常数最有效的方法之一 但添加高介电常数填料 往往是以材料弹性模量升高为代价 这对材料的驱动性能是明显不利的 弹性模量的升高 是由颗粒与聚合物相互作用引起的硬化效应和交联过程复合材料柔软性的降低引起的 但是 也存在一些特殊情况 如某些纳米颗粒干扰了弹性体的交联过程 与填料 第 卷本身固有的硬化效应相抵消 同时 高含量的填料团聚削弱了界面效应 会使变形过程中聚合物链在填料表面发生滑移 导致材料的弹性模量降低填料因素深刻影响着硅橡胶复合材料
4、的性能 包括填料尺寸、填料处理和填充种类等都需要加以考虑 其中最重要的是填料与硅橡胶基体的界面和相互作用 因此 我们往往需要对填料进行表面处理来改善填料在基体中的分散性 填料在基体中分散性越好 界面粘接性和界面效应更强 复合材料的弹性模量升高 同时 对填料进行表面处理可以增强界面极化 有利于介电常数的提高 减少颗粒的团聚 阻碍电子的导电减少漏电流的发生 从而降低介电损耗 但是在较高的填料负载下 弹性体的介电常数可能反而会降低 这是由于填料团聚导致可接近的表面积变少的缘故硅橡胶复合材料的击穿强度往往比纯硅橡胶低 这一方面是因为填料含量的增加使聚合物基体与填料之间的界面产生了越来越多带电粒子导致界
5、面产生电荷 破坏了体系 另一方面 填料的加入会使复合材料中产生空隙缺陷 扭曲并增强了局部电场 但是 某些纳米尺度的填料反而会抑制局部放电造成的表面侵蚀 而局部放电正是可能的击穿来源 因此使得击穿强度提高 某些情况下 弹性体的杨氏模量越高链状结构越紧凑 更容易捕获电荷 需要更高的电场来诱发电子雪崩 使弹性体具有了更高的击穿强度 对无机填料进行表面包覆 可减少其表面电荷载流子的浓度和流动性 减少了漏电流和击穿的传导 有助于提高复合材料的击穿强度二氧化钛()由于其介电常数较高(金刚石型为 锐钛矿型为)、化学惰性好、无毒性、易于在硅橡胶中分散 而成为提高硅橡胶介电常数研究最广泛的填料之一 年等人首次报
6、道了将二氧化钛作为硅橡胶的介电常数增强填料 其制备了介电常数为 的硅橡胶复合材料 等人利用电泳将二氧化钛在硅橡胶中定向分布 定向分布的二氧化钛复合材料与随机分布的二氧化钛复合材料相比 介电常数增加 介电损耗减小 介电常数增加的原因是填料的取向减小了电场方向上填料颗粒之间的间距 局部电场强度增大 介电损耗减小的原因是橡胶链段更少的过渡和旋转运动以及区域中更少的填料颗粒 导致界面极化减弱 等人发现纳米二氧化钛复合材料和微米二氧化钛复合材料的介电性能没有差异 原因是纳米颗粒聚集成微米相 纳米二氧化钛复合材料的弹性模量高于微米二氧化钛复合材料 原因是微米二氧化钛不易聚集形成填料网络 等人用二甲基亚砜(
7、)调节二氧化钛复合材料的柔性 有效降低了材料的弹性模量 改善了其机电性能 弹性模量下降的原因是 在基体中共混分散 分离了聚合物链 通过溶胀效应减弱了聚合物链之间的分子间相互作用 增加了聚合物链的流动性 等人将氯丙基硅油()加入到硅橡胶弹性体中 得到高介电常数、低介电损耗、低杨氏模量的介电弹性体 介电常数的增加来源于氯丙基的极性硅油在弹性体中起增塑剂的作用 此外氯丙基位阻大 增加了聚合物的自由体积 导致材料密度变小 杨氏模量降低 同时 尺寸更小的填料比相同浓度尺寸更大的填料表面积更大 界面极化加强 增加了介电常数和介电损耗 等人在聚甲基乙烯基硅氧烷()中同时引入极性官能团和多功能填料 以改善硅橡
8、胶介电弹性体的力学性能、介电性能和驱动性能 引入羧基带来的高偶极极化率和基体与填料之间良好的界面作用协同使介电常数增加 随填料含量的增加 基体与填料之间的共价交联降低了聚合物链的运动性 载流子不能通过聚合物链传输 有助于提高材料的击穿强度钛酸钡(或)也是一种具有高介电常数()的无机填料 等人研究了 粒径对复合材料介电性能的影响 发现微米尺度 填充的复合材料介电常数和介电损耗均高于纳米尺度 填充复合材料 硅橡胶基体的种类、固化剂的种类和含量、增塑剂、的形貌尺寸、的表面处理以及 在硅橡胶基体中的排列等均对复合材料的机械性能和介电性能有影响 其它高介电常数的无机填料同样可以作为硅橡胶的填料制备介电弹
9、性体 如钛酸铜钙()、铌镁酸铅钛酸铅()、锆钛酸铅()等 等人制备了 (聚多巴胺)填料 发现第 期费华峰等.硅橡胶介电弹性体的研究进展 的存在导致交联密度降低 并起到了机械润滑剂的作用 进而使复合材料的弹性模量降低部分学者还研究了金属配合物在硅橡胶介电弹性体中的作用 等人将包含有机硅组分的/金属配合物加入到聚二甲基硅氧烷()中 改善了填料与基体相容性 增加了复合材料介电常数 铜酞菁齐聚物()因为其高共轭电子体系而具有高的介电常数()等人将硅橡胶与 共混硫化后 复合材料的介电常数从 增加到 而随着 浓度的增加 复合材料的杨氏模量和击穿强度均降低 导电填料向硅橡胶基体中加入用量低于渗流阈值的导电填
10、料 同样可以极大地提升复合材料的介电常数 且不牺牲硅橡胶弹性 这类复合材料介电常数的提高 一方面是因为材料中形成了大量的微电容 在一定范围内 随着填料含量的增加 微电容数量增加 介电常数增加 另一方面是因为界面极化效应的影响 极化电荷在非均相体系界面上的积累 使得复合材料的介电常数 特别是低频段的介电常数显著提升 然而当填料达到一定添加量时 导电填料相互连接 漏电流增加介电常数下降 因此 导电填料的添加量不能太高 需要保证填料相互隔离 从而使复合材料的电性能直接由基体本身决定 保持良好的绝缘性能导电填料掺入硅橡胶后 由于漏电流的存在 通常伴随着介电损耗的显著增加 导致驱动过程中部分电能和机械能
11、耗散 导电填料掺入硅橡胶 还往往使复合材料的击穿强度急剧下降这是由于填料的聚集形成了局部电场 使材料容易短路 因此 添加导电填料对介电弹性体的长期稳定性和寿命不利 会影响其应用导电填料和硅橡胶复合材料的性能受到多种因素影响 包括填料的性质、尺寸和形状、基体与填料之间的分散和界面状态等碳纳米管()以其优异的电导率、高的长径比和优越的机械强度 在介电弹性体领域显示出突出的优势 石墨烯 作为另一种导电碳纳米材料 具有单层碳原子的二维蜂巢结构 显示出高的平面长径比(大于 )这对于聚合物复合材料中微电容结构的形成也是非常重要的两者都是导电填料中的明星材料 等人在商用硅橡胶中加入各类型导电填料(如碳材料、
12、导电聚合物等)制备了不同的介电弹性体比较了它们的介电性能、机械性能和机电性能 发现弹性模量保持在 时 介电常数可增加 倍 等人首次证明了使用核壳型碳纳米管作为填料来提高碳纳米管聚合物复合材料的介电常数和降低介电损耗的可行性 等人采用溶液混合法将热膨胀石墨纳米片()引入到 基体中 制备出介电常数高、介电损耗低、驱动应变大的/介电复合材料 等人利用多酚对碳纳米管进行修饰并与 复合 制备了低杨氏模量、高介电常数、低介电损耗和高击穿强度的介电弹性体 复合材料中填料的分散性变好 减少了物理交联 增强了材料的软化效应可使模量降低 绝缘层的存在有效抑制了界面电荷的聚集 实现了基体与填料之间更好的相容性和界面
13、相互作用 降低了电场的不均匀性 保持了材料的低介电损耗和高击穿强度 改性剂中的极性基团增加了界面极化 提高了介电常数 此外 研究者还探讨了利用液态金属来制备高介电常数、低杨氏模量的介电弹性体材料 等人发现用液态金属作为填料 在提高弹性体介电常数的同时 还保持了材料的弹性通过控制液滴大小和分散度 可以避免击穿强度的下降为了进一步减少导电填料对复合材料介电损耗和击穿电压强度的不利影响 研究者尝试利用绝缘材料包覆导电材料制备核壳填料 控制壳层与基体的微观结构和界面相可以显著提高纳米复合材料的力学性能、电学性能和介电性能 一般来说 绝缘壳层的存在能够阻碍导电网络的形成 有效降低漏电流 降低电场集中和隧
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 硅橡胶 弹性体 研究进展
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。