低模量高介电常数介电弹性体的合成及性能

摘要

介电弹性体作为一种新型的电致驱动材料，自20世纪90年代被发现以来，吸引了广大研究者的研究兴趣。与其他驱动器材料相比，介电弹性体具有独特的性能优势，如:大的驱动应变、高的驱动能密度、应变响应时间快、低介电损耗以及良好的耐温耐湿性。这些优异的性能赋予了介电弹性体广泛的应用领域和巨大的应用潜能。同时，介电弹性体的发展也面临着许多挑战，介电常数和杨氏模量成为提高介电弹性体性能的关键因素。本课题旨在合成一种同时具有高介电常数和低杨氏模量的介电弹性体，其研究内容以及结果如下:
　　1、利用HDI和PTMG合成出了不同NCO/OH比值以及不同扩链剂来扩链的聚氨酯弹性体。利用傅里叶红外光谱分析对其结构进行了表征，并考察了聚氨酯弹性体的热性能、力学性能、介电性能以及电致形变性能。实验发现，不同NCO/OH比值的聚氨酯弹性体，其玻璃化转变温度随着NCO/OH比值的升高而升高，并且该系列聚氨酯弹性体的杨氏模量随着NCO/OH比值的升高先升高后降低，但总体来说，模量较高，最低的模量也有6.73MPa。同时，NCO/OH比值的变化对材料的介电常数影响不大，其介电常数比其他聚氨酯弹性体(ε约为3～6)高了至少33％，达到了8左右。在不同扩链剂制备的聚氨酯体系中，扩链剂长度越长，聚氨酯弹性体的玻璃化转变温度越低，介电常数也越低，从最高的7.35下降到3.03。虽然其模量也有所下降，但介电常数下降的速度更快，导致介电常数与杨氏模量的比值下降，不利于电致形变的产生。总体来说，我们合成出了一种介电常数高于其他聚氨酯材料的弹性体，然而其模量问题没有得到彻底解决，这仍需要进一步的探索。
　　2、利用CA和PEG合成出一系列PEC聚酯弹性体并探究了其性能。结果表明，PEC具有相当高的介电常数，达到了21，这几乎高于其他所有的介电弹性体的基体材料。随着PEC聚酯弹性体中CA含量的降低，其介电常数会稍稍下降，但模量也会随之下降。随着PEG与CA比值从3∶2下降到1∶1，其聚合物的模量从1.42MPa下降了一半，降至0.70MPa。因而PEG/CA为1∶1时，PEC弹性体具有更好的电致形变性能，在较低的电压14.7kV/mm时，其电致形变达到了8.27％。PEC聚酯弹性体同时具有较高的介电常数和较低的模量，这符合实验预期。并且可以预见PEC聚酯弹性体作为一种介电弹性体基体材料，具有很好的研究潜能。

目录

声明

摘要

缩写符号及物理符号说明

第一章 绪论

1．1 介电弹性体的基本介绍

1．1．1 介电弹性体的基本概念

1．1．2 介电弹性体的驱动机理

1．2 国内外研究现状

1．2．1 无规复合材料

1．2．2 电致结构复合材料

1．2．3 新型合成聚合物

1．3．介电弹性体驱动器性能的影响因素

1．3．1 电极的影响

1．3．2 预应变的影响

1．3．3 温度的影响

1．3．4 频率的影响

1．4 介电弹性体驱动器的结构及其应用

1．5 介电弹性体研究面临的挑战

1．6 本课题的研究目的及意义

1．6．1 本课题的研究目的

1．6．2 本课题的研究意义

第二章 实验部分

2．1 实验试剂及设备

2．1．1 实验所用试剂

2．1．2 实验所用设备及仪器

2．2 介电弹性体的合成

2．2．1 实验原料的精制

2．2．2 聚氨酯类介电弹性体的合成

2．2．3 聚酯类弹性体的合成

2．3 介电弹性体的结构及性能表征

2．3．1 傅里叶转变红外光谱(FTIR)分析

2．3．2 热性能测试

2．3．3 力学性能测试

2．3．4 介电性能测试

2．3．5 电致伸缩性能测试

第三章 结果与讨论

3．1 PEG类聚氨酯弹性体合成结果及分析

3．1．1 PEG类聚氨酯预聚物配方及结果

3．1．2 PEG类聚氨酯结果分析

3．2 预聚物中不同NCO／OH比值对聚氨酯弹性体性能的影响

3．2．1 不同NCO／OH比值聚氨酯弹性体预聚物配方

3．2．2 不同NCO／OH比值聚氨酯弹性体红外(FTIR)光谱分析

3．2．3 不同NCO／OH比值聚氯酯弹性体差示扫描量热(DSC)分析

3．2．4 不同NCO／OH比值聚氨酯弹性体热失重(TG)分析

3．2．5 不同NCO／OH比值聚氨酯弹性体力学性能分析

3．2．6 不同NCO／OH比值聚氨酯弹性体介电性能分析

3．3 不同扩链剂对聚氨酯弹性体性能的影响

3．3．1 不同扩链剂的聚氨酯弹性体的实验配方

3．3．2 不同扩链剂的聚氨酯弹性体的红外光谱分析

3．3．3 不同扩链剂的聚氨酯弹性体的差示扫描量热(DSC)分析

3．3．4 不同扩链剂的聚氨酯弹性体力学性能分析

3．3．5 不同扩链剂的聚氨酯弹性体的介电性能

3．3．6 不同扩链剂的聚氨酯弹性体电致应变性能

3．4 柠檬酸／聚乙二醇聚酯弹性体的性能表征及分析

3．4．1 柠檬酸／聚乙二醇聚酯弹性体的配方

3．4．2 柠檬酸／聚乙二醇聚酯弹性体的红外光谱分析

3．4．3 柠檬酸／聚乙二醇聚酯弹性体的差示扫描量热(DSC)分析

3．4．4 柠檬酸／聚乙二醇聚酯弹性体的力学性能分析

3．4．5 柠檬酸／聚乙二醇聚酯弹性体的介电性能分析

3．4．6 柠檬酸／聚乙二醇聚酯弹性体的电致形变性能分析

第四章 结论与展望

4．1 结论

4．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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