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南京大学李承辉教授课题组实现介电驱动器的整体自修复
2020-09-27  来源:高分子科技

  介电驱动器因其柔软性,高能量密度,无声操作等优点被认为是最有前途的软驱动器。介电驱动器容易磨损或在高电场下部分损坏,导致整个器件功能丧失。将自修复功能引入到驱动器有利于延长其使用寿命和安全性。目前,研究者主要尝试将自愈合引入到介电驱动器,但大多数专注于电极或介电层单一修复。驱动器功能性的恢复需要器件的整体自愈合。因此,在介电驱动器中,实现器件的整体自愈合以及保持界面良好的相容性是亟需解决的一大难题。


  为了提高介电驱动器的可靠性,李承辉教授课题组通过对聚合物分子结构的设计,合成了具有自修复性质的聚二甲基硅氧烷/聚苯胺聚合物(PDMS-PANIn)。通过调节聚苯胺的含量,得到了具有自修复性质的介电弹性体和导电弹性体,分别作为驱动器的介电层和导电层(图1)。由于电极和介电层具有相同的聚合物基体,因此聚合物链可以沿着电极和介电层以及受损面界面有效扩散,从而确保了器件的完整性。


图1自修复聚合物的结构设计


  作者分别使用PDMS-PANI2.5介电弹性体和PDMS-PANI20导电弹性体组装成PDMS-AN-ANE驱动器器件(图2)。SEM图和元素mapping图显示了该器件具有模糊的三明治结构并且可以观察到介电层和电极层在界面处互穿,暗示了介电层和导电层具有良好的相容性,这有利于器件的整体自愈合。


图2具有三明治结构的驱动器器件(a)侧视图和(b)渲染的SEM图,(c)组装器件相应元素mapping图


  作者将PDMS-AN-ANE器件切成两段后,在25℃愈合48小时得到具有整体修复的PDMS-AN-ANE器件(图3)。断裂表面的SEM图像显示出愈合后的PDMS-AN-ANE驱动器在受损部位显示良好的界面愈合。修复的PDMS-AN-ANE器件在15.8 V/μm高电场时表现出1.62%的驱动应变。实现介电驱动器整体自修复的策略是前所未有的,同样也适用于其他电子设备。


图3(a)两种不同颜色的PDMS-AN-ANE器件样品。(b)PDMS-AN-ANE器件被切成两段。(c)两个不同颜色的部件整体自修复成一个新的介电驱动器。(d)自修复的PDMS-AN-ANE驱动器断裂表面的SEM照片。(e)介电驱动器在25℃愈合48小时并施加15.8 V/μm高压后的照片。(f)原始PDMS-AN-ANE器件和自愈试样在电场中的驱动应变。


  以上相关成果以“A Dielectric Elastomer Actuator That Can Self-Heal Integrally”为题,近期在线发表于《ACS Appl. Mater. Interfaces》。论文的第一作者是南京大学化学化工学院博士生段磊,通讯作者为李承辉教授。该研究工作也得到了左景林教授赖建诚博士的大力支持。


  原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c11697

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(责任编辑:xu)
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