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《ACS Nano》:石墨烯液晶致使复合材料产生巨电致伸缩效应
出处:高分子科学前沿  录入日期:2018-02-09  点击数:489

      电致伸缩聚合物材料可以有效地实现机械能和电能之间的转换。与传统的压电陶瓷相比,它们具有加工简易、响应时间短和机械形变高等优点。因此近年来在驱动器,传感器,甚至能量俘获器等领域备受瞩目。但是,目前商业化的电致伸缩纯聚合物材料本身的弱极化特性使得其机电耦合系数较低(M∼10−18 m2/V2)。如何在保持以上优点的同时极大的提高材料的电致伸缩系数成为了领域内的一大挑战。

 

 


      法国国家科研中心研究员苑金凯博士开发了还原氧化石墨烯液晶/聚二甲基矽氧烷(rGO/PDMS)电致伸缩复合材料。借助于共聚物(PDMS-b-APMS)与氧化石墨烯GO 颗粒之间的静电作用,共聚物可以将GO 从水相转移到非极性有机相中,并进一步稳定GO 在有机溶剂中的分散。
      这一GO 有机溶剂分散液可以直接用于PDMS 复合材料的制备。在蒸发溶剂的过程中,GO 自组装形成液晶局部取向结构。实验发现GO 在1 wt%的含量下开始形成液晶结构,但这一含量远远低于渗流阈值5 wt%。石墨烯液晶结构的形成阻止了导电网络的形成,延迟了逾渗现象,这一竞争对开发电介质复合材料极为有利。局部有序的石墨烯液晶结构可以形成非常高效的微电容结构将PDMS 基体的介电常数提高260倍,损耗却低于0.4。这一工作已经发表于Nat. Commun. 2015, 6, 8700。
      事实上,基于导电粒子近逾渗网络的聚合物复合材料介电常数在渗流阈值附近陡增,这一敏感材料具有电致伸缩效应。但纳米粒子的无规分布导致实验测得的复合材料电致伸缩系数往往比理论计算值低很多。到目前为止文献报道的电致伸缩系数最高值仅为~10−15 m2/V2,原因在于缺乏对复合材料近逾渗网络结构的优化。苑金凯博士等研究人员最近发现石墨烯液晶/PDMS 复合材料独特的局部取向微结构使其介电常数对材料的形变非常敏感,表现出巨电致伸缩系数 M ∼ 10−14 m2/V2。这一工作于近期发表于ACS Nano 2018。

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