曹建波，任鈺雪，鄂世舉，夏文俊，周 武

（浙江師范大學(xué) 工學(xué)院，浙江 金華 321000）

介電彈性體驅(qū)動(dòng)器柔性電極技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)

曹建波，任鈺雪，鄂世舉，夏文俊，周 武

（浙江師范大學(xué) 工學(xué)院，浙江 金華 321000）

對(duì)介電彈性體柔性電極相關(guān)研究進(jìn)行了總結(jié)和分析。柔性電極是介電彈性體發(fā)電或驅(qū)動(dòng)材料的重要組成部分，其性能直接影響介電彈性體發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率以及驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)性能。目前，對(duì)柔性電極的研究處于起步階段。本文基于介電彈性體材料的不同用途，分析了碳基電極、碳納米管電極等幾種典型的柔性電極材料的性能、制備工藝及方法。并針對(duì)其應(yīng)用條件的不同，分析了電極材料的應(yīng)用領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)研究分析發(fā)現(xiàn)，柔性電極材料需要具備柔性大、導(dǎo)電性高這兩點(diǎn)特性，但是目前柔性電極在柔性與導(dǎo)電性上不能兼具，存在貼合度不足、導(dǎo)電性差等問(wèn)題，需要對(duì)柔性電極的材料以及制備工藝進(jìn)行更加深入的研究。

介電彈性體；柔性電極；綜述；發(fā)電機(jī)；驅(qū)動(dòng)器；形變率

介電彈性體（Dielectric Elastomer，DE）是一種具有電活性的彈性體材料，能夠在電場(chǎng)作用下改變形狀，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；同樣，它的逆過(guò)程也可以用于發(fā)電，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。早在20世紀(jì)90年代，很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其變形特性展開(kāi)了研究，其中美國(guó)斯坦福大學(xué)是最早對(duì)介電彈性體材料進(jìn)行研究的機(jī)構(gòu)，斯坦福的Pelrine等[1]研制出了應(yīng)變超過(guò)100%的介電彈性體材料，這種材料在《Science》上公布之后，引起了驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注。

介電彈性體驅(qū)動(dòng)器（Dielectric Elastomer Actuator，DEA）的結(jié)構(gòu)類似于三明治，在DE薄膜的上下兩表面涂覆一層柔性電極材料，例如碳油、石墨粉、碳納米管等。這類電極材料要具備兩種特性，一是要適應(yīng)DEA的電致變形的特性，需要具備可伸縮性和低剛度的性能；二是DEA的本質(zhì)是電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，電極材料的內(nèi)阻會(huì)造成巨大的能量損耗[2]，為提高能量轉(zhuǎn)換效率，電極材料要有高導(dǎo)電性和低電阻的特性。

DE材料具有大的比能量、最大形變可達(dá)到380%等突出特點(diǎn)，國(guó)外學(xué)者認(rèn)為這種材料也適用于低頻、大變形的發(fā)電場(chǎng)合，并對(duì)其逆過(guò)程進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)制造介電彈性體發(fā)電機(jī)（Dielectric Elastomer Generator，DEG）。介電彈性體的應(yīng)用研究主要在驅(qū)動(dòng)與發(fā)電領(lǐng)域，也有學(xué)者將其應(yīng)用于柔性電子、傳感器、生物醫(yī)學(xué)等方面[3-9]。

柔性電極是DEG材料必不可少的組成部分，電極材料研究的滯后嚴(yán)重影響了DEG材料在驅(qū)動(dòng)器與發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用。因此，本文針對(duì)現(xiàn)存的主要電極材料：碳基材料、金屬薄膜材料、碳納米管、透明離子導(dǎo)體材料、互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行對(duì)比研究，將其制備方法、性能、優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)分析，希望找出最具有應(yīng)用前景的電極材料，進(jìn)行更深入的研究。

1 DE工作原理

兩表面涂覆柔性電極的介電彈性體驅(qū)動(dòng)器類似于一個(gè)平行板電容器，其工作原理是當(dāng)在DE上下表面加電場(chǎng)后，兩電極會(huì)加載電荷，加載的電荷相互吸引壓縮介電彈性體，產(chǎn)生麥克斯韋應(yīng)力，使其在厚度與平面方向發(fā)生變形，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能[10]；去掉電壓，DE恢復(fù)到原來(lái)的形狀。利用DE電致變形的特性，能夠制作厚度位移驅(qū)動(dòng)器與平面位移驅(qū)動(dòng)器。

DEG的發(fā)電原理是驅(qū)動(dòng)原理的逆過(guò)程，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。介電彈性體發(fā)電單元可看作一個(gè)可變電容器，在彈性體發(fā)電單元上下表面加電壓，電極加載電荷。當(dāng)外力拉伸 DE膜時(shí)，面積增大，由于體積不變，DE膜厚度變小，電容增大，兩端電壓減少；移除外力后，由于DE材料內(nèi)部的彈性應(yīng)力，使得 DE材料恢復(fù)到之前的狀態(tài)，面積減小，厚度變大，電容減小，兩端電壓增大，外部施加外力的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。且由發(fā)電能量公式可知：DEG的發(fā)電能量與 DE的形變面積正相關(guān)。發(fā)電能量的具體推導(dǎo)過(guò)程如下[11]：

電容C為：

式中：ε是介電常數(shù)；ε0是自由空間介電常數(shù)，且ε0=8.85×10-12F/m；A為介電彈性體面積；d為介電彈性體的厚度。

其體積B為：

面積A與厚度d隨材料的變形而變化。將式（1）代入式（2），得：

則電壓U可表示為：

式中：Q為總體電荷量。

則發(fā)電機(jī)能量E可表示為：

式中：Ci為彈性體在伸展時(shí)的總電容量；Cf是收縮時(shí)的總電容量；Emax是通過(guò)彈性體的最大電場(chǎng)；η是電能轉(zhuǎn)換效率。

電極作為介電彈性體表面的核心部分，它需要具有兩個(gè)基本特性：一是必須具有導(dǎo)電性，二是柔性，不同應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)電極柔性的特性要求不同，DEA的電極拉伸率要求為10%～100%即可，DEG要求電極的拉伸率要達(dá)到100%以上。

2 常見(jiàn)電極的制備方法與性能分析

2.1 碳基電極

碳基電極是用碳黑作為基體進(jìn)行制備的電極材料，根據(jù)制備方法的不同，可分為油脂類電極、固體粉末類電極、導(dǎo)電橡膠電極三類。油脂類電極是將炭黑材料與一些粘稠度高的油脂物體混合制作的油脂狀電極；固體粉末類電極是將碳粉直接噴灑在DE薄膜上制作的電極；導(dǎo)電橡膠是指將炭黑與橡膠混合制成的電極。

（1）油脂類電極

油脂類電極[12]是將炭黑與聚二甲硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）進(jìn)行混合，或是將碳粉懸浮在硅膠硅油等潤(rùn)滑脂上，形成油脂狀的電極。油脂類電極柔性大，伸縮性好，不會(huì)阻礙DE材料的形變。但是油脂類電極有兩個(gè)缺點(diǎn)：一是油脂與碳粉顆粒不容易附著在介電彈性體膜上，在反復(fù)拉伸過(guò)程中容易脫離；二是使用時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，油脂類電極會(huì)失效，這是由于油脂物質(zhì)會(huì)干涸或者消融[13]。油脂是絕緣物質(zhì)，與碳粉混合后，大大降低了電極的導(dǎo)電性，其電阻率高達(dá)為50×103Ω/cm，Caroi等[14]使用這類電極制作的驅(qū)動(dòng)器在電場(chǎng)強(qiáng)度為34 V/μm的條件下也僅能達(dá)到4.3%的形變率，使用的DE膜材料是丙烯酸彈性體材料（3M公司，VHB F9460PC），其薄膜厚度為50 μm，預(yù)應(yīng)變?yōu)?9%，預(yù)應(yīng)變后薄膜厚度為46 μm。

（2）固體粉末類電極

固體粉末類主要是用炭黑與石墨粉采用涂刷或者石墨噴涂的方法直接附著在介電彈性體上。這種方法制備的電極其優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)干涸。

Pelrine等[15]用石墨噴涂的方式將碳粉噴灑在介電彈性體上，制作的DEA在300V電壓下達(dá)到20%的形變率，其 DE膜材料使用的是硅樹(shù)脂彈性體材料（Dow Corning公司，HS III），厚度為1 μm，預(yù)應(yīng)變?yōu)?32%。具體制備過(guò)程是將碳粉溶解于以水為基體的溶液中，放置在一個(gè)壓力容器中，通過(guò)噴霧的方式將碳粉溶液噴灑在介電彈性體上，溶液蒸發(fā)后，石墨粉附著在介電彈性體上。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是電極涂覆更為均勻。

Schlaak等[16]設(shè)計(jì)了一種由電腦控制自動(dòng)疊層的多層DEA，也是采用石墨噴涂方法制作電極，將石墨粉裝在一個(gè)壓力容器中，經(jīng)由容器噴嘴噴灑在介電彈性體上，如圖1所示。另外，Schlaak等還將涂刷與石墨噴涂這兩種制備碳粉電極的方法進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)涂刷方式制備的碳粉電極比石墨噴涂方式制備的碳粉電極的導(dǎo)電率要更高，如圖2所示，涂刷的碳粉電極電阻率明顯低于噴涂的電阻率，但是涂刷的碳粉電極不易操作。對(duì)比實(shí)驗(yàn)中所使用的DE膜材料為硅樹(shù)脂彈性體材料（Wacker公司，Elastosil P7670），其厚度為25 μm，無(wú)預(yù)應(yīng)變。

圖1 石墨噴涂Fig.1 Sprayed graphite

（3）橡膠電極

Kinoshita等[17]將科琴黑（Ketjen Black，KB）與橡膠混合起來(lái)制成柔性電極，其中KB是一種由特殊工藝制作而成的炭黑，比普通炭黑的導(dǎo)電性好。橡膠電極的制備方法是將KB利用超聲波溶解在庚烷溶劑中，形成KB懸浮液，再將KB懸浮液與橡膠溶液進(jìn)行混合，利用電磁攪拌器攪拌均勻之后制作完成。橡膠電極制作的 DEA在預(yù)應(yīng)變?yōu)?200%以及電壓為4 kV的條件下達(dá)到38%的形變率，如圖3所示。

圖2 噴涂與刷涂電阻率對(duì)比Fig.2 Comparison of sheet resistance of sprayed and brushed graphite electrodes

圖3 導(dǎo)電橡膠DEA在4 kV下的變形Fig.3 Deformation of conductive rubber DEA with 4 kV

碳基電極是目前在介電彈性體上應(yīng)用最廣泛的電極材料，盡管它的拉伸率好，但是導(dǎo)電性不高，并且也無(wú)法機(jī)械化生產(chǎn)。另外，涂覆工藝也會(huì)對(duì)電極材料的性能產(chǎn)生影響，因此目前對(duì)碳基電極的研究主要集中在涂覆工藝與機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)上。

2.2 碳納米管

碳納米管具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、較小的體積、良好的導(dǎo)電性等特點(diǎn)，使它能夠應(yīng)用在高強(qiáng)度復(fù)合材料、微機(jī)械、信息存儲(chǔ)、納米電子器件、平板場(chǎng)致發(fā)射顯示器以及碳納米管微操作等方面[18]。碳納米管顆粒小且具有高導(dǎo)電性，使它能夠很好地滲入DE膜內(nèi)，這使得碳納米管作為柔性電極材料在DE上廣泛應(yīng)用。

張冬至等[19]用靜電自組裝的方法制作碳納米管電極，并與介電彈性體材料結(jié)合制成可穿戴發(fā)電機(jī)，其發(fā)電結(jié)構(gòu)的厚度為28 μm。手套發(fā)電機(jī)如圖4所示，手指彎曲90○能夠輸出最大電壓為3.7 V。鞋墊發(fā)電機(jī)將DEG作為鞋墊放置于鞋底時(shí)，踏步壓縮介電彈性體發(fā)電機(jī)能夠輸出最大電壓為1 V，該膜相對(duì)介電常數(shù)為12，電容值為1.37 nF。

圖4 手套發(fā)電機(jī)Fig.4 Glove generator

Yuan等[20]驗(yàn)證了碳納米管電極的容錯(cuò)性。如圖5所示，（a）、（b）為碳粉電極的容錯(cuò)性實(shí)驗(yàn)，（c）、（d）為碳納米管電極的容錯(cuò)性實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)使用碳納米管電極的DEA某一處被擊穿后，不影響DEA的后續(xù)使用，而使用碳粉電極的DEA是不具有這一特性的，在實(shí)驗(yàn)中所使用的膜材料為丙烯酸彈性體（3M公司，VHB 4905）。這種具有容錯(cuò)性的碳納米管電極是使用聲波降解將碳納米管粉末溶解于水溶液中，再用氣槍噴灑在介電彈性體上制備而成的。

圖5 碳粉電極和碳納米管電極容錯(cuò)性實(shí)驗(yàn)Fig.5 Fault-tolerance experiment of carbon nanotube electrode and carbon electrode

碳納米管電極相對(duì)于碳基電極來(lái)說(shuō)，有較低的拉伸率，另外還有容錯(cuò)性這一特點(diǎn)，是一種發(fā)展前景較好的電極材料。目前，碳納米管主要還是集中在碳納米管電極的制備工藝研究上。

2.3 金屬薄膜

應(yīng)用在介電彈性體上的柔性電極需要具備拉伸率大、導(dǎo)電性強(qiáng)等特點(diǎn)。對(duì)于金屬來(lái)說(shuō)，具有很強(qiáng)的導(dǎo)電性，但是剛度大，為了解決這一問(wèn)題，Pelrine等[15]首先提出將金屬鍍到介電彈性體膜上的電極制作方法。金屬鍍膜方法主要有高溫濺射與化學(xué)鍍兩種。

化學(xué)鍍是一種新型的金屬處理技術(shù)，依據(jù)氧化還原的化學(xué)原理，利用強(qiáng)還原劑將溶液中的金屬離子還原沉積在物體表面形成鍍層。

Low等[21]基于化學(xué)鍍技術(shù)制作了一種褶皺金屬銀薄膜電極，在預(yù)拉伸2.5倍、電壓1.8 kV的條件下達(dá)到 128%的形變率，其中使用的 DE膜材料為VHB F9473PC，膜材料厚度為250 μm，銀電極厚度為150 nm±30 nm。這種基于化學(xué)鍍的褶皺銀薄膜電極的制備方法是：首先將DE拉伸2.5倍，然后利用強(qiáng)還原劑與催化劑將溶液中的銀離子置換在 DE膜表面，鍍膜之后 DE恢復(fù)為無(wú)壓力狀態(tài)，銀薄膜受到擠壓成為褶皺銀薄膜電極，如圖6所示，是壓縮應(yīng)變?yōu)?0%的褶皺銀薄膜。

圖6 預(yù)拉伸2.5倍的DEA與褶皺銀薄膜Fig.6 Prestretching 2.5 times of DEA with crumpled silver films

高溫濺射是一種在真空中利用高溫將金屬離子沉積在物體表面的金屬鍍層技術(shù)。Low等[22]利用這種金屬鍍層技術(shù)制作了銀薄膜電極，并且將高溫濺射與化學(xué)鍍這兩種鍍膜方式進(jìn)行了對(duì)比，如圖7所示，使用的膜材料也是VHB F9473PC，其厚度也如上所示?；瘜W(xué)鍍制作的金屬薄膜電極性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高溫濺射制作的金屬薄膜電極。與高溫濺射鍍膜相比，化學(xué)鍍膜方法操作簡(jiǎn)單、不需要真空與高溫、鍍膜的導(dǎo)電性更好。因此，化學(xué)鍍的鍍膜方式更加具有優(yōu)勢(shì)。

圖7 不同鍍膜方式性能對(duì)比Fig.7 Performance comparison of different coating film methods

金屬薄膜電極雖然具有高導(dǎo)電性，但是不能完全滿足 DE材料的大變形要求，在拉伸率或者形變率大的時(shí)候，會(huì)發(fā)生破裂。因此，只適用于驅(qū)動(dòng)器這種形變較小的器件，發(fā)電機(jī)這種需要 DE材料大變形的器件是不適用的。目前，金屬薄膜電極的研究還是集中在離子附著技術(shù)研究，即怎樣更好地使金屬離子附著在 DE膜上，達(dá)到導(dǎo)電性與拉伸性共同兼容的目的。

2.4 透明離子導(dǎo)體

離子導(dǎo)體是一種通過(guò)大量的可動(dòng)離子的移動(dòng)來(lái)產(chǎn)生電流的離子固體。美國(guó)哈佛大學(xué)Keplinger等[23]宣布在實(shí)驗(yàn)室制造出了透明可拉伸的離子導(dǎo)體，能夠在一萬(wàn)赫茲以上頻率和一萬(wàn)伏以上電壓下工作，其拉伸率在五倍以上。這種透明離子導(dǎo)體是由鹽水與高分子聚合物相結(jié)合制成的水凝膠。水凝膠[24]是一種高分子網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)⑺肿影诰W(wǎng)狀內(nèi)部，如圖8所示，常見(jiàn)的有果凍、涼粉等，但是這一類水凝膠力學(xué)性能較差。Keplinger等所研制出的透明離子導(dǎo)體具有高透明度、大拉伸率和穩(wěn)定電導(dǎo)率等特性。但是這種離子導(dǎo)體高電壓下容易造成電化學(xué)反應(yīng)，Keplinger等通過(guò)在透明離子導(dǎo)體之間加入一層介電彈性體，形成特有的三明治結(jié)構(gòu)解決了這個(gè)問(wèn)題，并基于此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了柔性揚(yáng)聲器，這種柔性揚(yáng)聲器能在10 kV的電壓下達(dá)到167%的形變率，其使用的DE膜材料為VHB 4910（3M公司），厚度為1 mm，使用的水凝膠電極厚度為100 μm。

Chen等[25]使用聚丙烯酰胺水凝膠制作了如圖9所示的等雙軸驅(qū)動(dòng)器，能在4 kV的電壓下達(dá)到140%的形變率，并且還發(fā)現(xiàn)離子導(dǎo)體的厚度會(huì)限制DEA的應(yīng)變，Chen等用厚度為0.3，0.5，1.0 mm的離子導(dǎo)體作為電極材料進(jìn)行DEA性能的比較，DEA在離子導(dǎo)體為0.3 mm厚度時(shí)達(dá)到了最大變形，實(shí)驗(yàn)使用的DE膜為VHB 4910。

圖8 水凝膠Fig.8 Hydrogel

圖9 等雙軸驅(qū)動(dòng)器Fig.9 Equal-biaxially DEA

Yang等[26]制備了一種含有氯化鋰的合成聚丙烯酰胺水凝膠，將這種合成凝膠作為 DE材料的電極，用做導(dǎo)線，可以點(diǎn)亮LED，使用時(shí)，需要在上下兩層都加入銅片，如圖10所示。使用DE膜（3M公司，VHB4905）以及這種材料做成的 DE導(dǎo)線在面積為 2.0×10-4m2、厚度為 5.0×10-4m時(shí)，有 16.8 pF的電容。

圖10 DE導(dǎo)線Fig.10 DE conductor

Yang等[27]還利用這種電極的透明性，制作了一個(gè)發(fā)光裝置，主要是將電致發(fā)光的硫化鋅粉末鋪在DE薄膜（3M公司，VHB 4910）中，在VHB 4910的外層用含氯化鋰的水凝膠作為柔性電極。如圖11所示，這種柔性發(fā)光器件的面積應(yīng)變能夠到達(dá)1500%。盡管Yang等沒(méi)有將其用于主流的驅(qū)動(dòng)器或者發(fā)電機(jī)裝置上，但是由于其優(yōu)異的形變特性，未來(lái)的應(yīng)用前景較好。

圖11 DE發(fā)光器件Fig.11 DE luminescent device

2.5 互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)

Ha等[29-30]研制了一種基于互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)的碳油脂電極，制作的DEA能在預(yù)拉伸為275%以及電場(chǎng)強(qiáng)度為300 MV/m的條件下達(dá)到233%的形變率，其DEA的厚度為40 mm，使用DE膜材料為VHB 4910。互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)[28]（Interpenetrating Polymer Network，IPN）是兩種或兩種以上的共混聚合物，分子鏈相互貫穿，并至少有一種聚合物分子鏈以化學(xué)鍵的方式交鏈而形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種基于 IPN的炭黑電極的優(yōu)點(diǎn)是 DE膜被拉伸后，撤銷外力，DE膜不會(huì)回縮。這樣在DE膜需要預(yù)拉伸的情況下，是不需要支撐機(jī)構(gòu)的。電極的制備方法是：將 1,6-己二醇二丙烯酸酯作為交聯(lián)添加劑，過(guò)氧化苯甲酰作為引發(fā)劑一起加入真空爐中加熱至85℃制成互傳聚合物網(wǎng)絡(luò)，然后再在DE膜表面涂抹碳油脂電極。圖 12所示為使用基于 IPN的碳油脂電極所制作的DEA。

瑞士聯(lián)邦材料測(cè)試與開(kāi)發(fā)試驗(yàn)室[31]設(shè)計(jì)了一種堆疊式的驅(qū)動(dòng)器，將IPN與科琴黑結(jié)合制成電極，制備方法是將DE材料用IPN處理后，將科琴黑石墨粉電極涂覆到介電彈性體上以形成電極。使用這種電極材料制作的堆疊式驅(qū)動(dòng)器的性能在無(wú)預(yù)拉伸及電壓為4.2 kV的條件下達(dá)到30%的形變率，其DEA厚度為18.3 mm，使用的DE膜材料是VHB 4910。

圖12 DEAFig.12 DEA

于江成[32]將 IPN與碳納米管結(jié)合制成了基于IPN的碳納米管電極，并用這種電極制作了一種堆疊式的DEA。該DEA在無(wú)預(yù)拉伸以及電壓為4 kV的條件下，能達(dá)到18.2%的形變率，其DEA厚度為5.5 mm，并且選用的DE膜材料是VHB 4910。電極制備方法為：將水和異丙醇按1:5的體積比混合成的溶液，將碳納米管粉末加入溶劑中制成碳納米管溶液。以三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯作為添加劑、過(guò)氧化苯甲酰作為引發(fā)劑加入85 ℃的真空爐中，制成IPN，再將IPN加入碳納米管溶液中，利用超聲探頭攪拌均勻，制成基于IPN的碳納米管電極。

2.6 不同電極比較分析

上述五種典型的電極材料，都具有不同的特性、各自都有著不同的優(yōu)缺點(diǎn)，為此對(duì)這五種電極材料做了對(duì)比分析，其總結(jié)對(duì)比如表1所示，其應(yīng)用場(chǎng)合是依據(jù)各種材料在文獻(xiàn)中介紹的應(yīng)用。

2.7 電極材料應(yīng)用分析

電極材料由于自身特性的不同，其應(yīng)用場(chǎng)合也有所分別。針對(duì)其各個(gè)應(yīng)用場(chǎng)合所需特性的不同，對(duì)各種電極材料做了應(yīng)用分析，其分析結(jié)果如下。

首先，應(yīng)用在驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域，主要是被作為人工肌肉，傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器能量密度小、體積大、輸出力小，無(wú)法滿足生物肌肉的柔韌性以及能量密度大的特點(diǎn)，因此應(yīng)用在驅(qū)動(dòng)器方面的 DE驅(qū)動(dòng)單元應(yīng)該有著體積小、能量密度大、柔韌性大等特點(diǎn)。

其次，應(yīng)用在發(fā)電領(lǐng)域，由上文可知，發(fā)電機(jī)的能量是與其面積的形變量直接相關(guān)的，因此，發(fā)電機(jī)要求 DE材料具有高的能量密度與大的變形量等特點(diǎn)。然而，碳基電極中固體粉末類與金屬薄膜電極在拉伸倍數(shù)過(guò)高的條件下容易開(kāi)裂，是不適用于發(fā)電機(jī)的。

最后，在一些其他的應(yīng)用領(lǐng)域中，對(duì)其要求也各有不同，柔性電子是利用了 DE材料的柔韌性，只要 DE單元是柔性的就能夠用作柔性電子；發(fā)光器件則需要 DE單元是透明的，其中只有透明離子導(dǎo)體適用于發(fā)光器件。

表1 五種電極材料對(duì)比Tab.1 Comparison of five kinds of electrode materials

3 結(jié)語(yǔ)

介電彈性體作為一種新型的功能材料，在驅(qū)動(dòng)、傳感、發(fā)電等方面都有廣闊應(yīng)用前景，但是柔性電極材料研究的滯后限制了介電彈性體的進(jìn)一步研究與應(yīng)用。因此，本文專門對(duì)介電彈性體柔性電極的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究分析，總結(jié)分析如下。

（1）電極材料中，碳基材料是目前研究中使用最為廣泛的，利用介電彈性體制作的電子器件大多使用的碳基材料，主要分為固體粉末類電極、油脂類電極以及導(dǎo)電橡膠三類，各有優(yōu)缺點(diǎn)。固體粉末類具有高導(dǎo)電性，但是在拉伸過(guò)大的情況下，容易開(kāi)裂。油脂類與導(dǎo)電橡膠具有大的靈活度，能夠適應(yīng)介電彈性體的大變形，但導(dǎo)電性差。

（2）碳納米管近幾年才被用于柔性電極材料，制備工藝還不夠成熟，但優(yōu)勢(shì)明顯，應(yīng)繼續(xù)研究，提高其性能。

（3）金屬薄膜電極具有高導(dǎo)電性，但是與介電彈性體膜的貼合度不夠，只適用于小變形量的場(chǎng)合，不適用于大變形場(chǎng)合，制作出柔性與導(dǎo)電性兼具的金屬電極材料是研究的努力方向。

（4）透明離子導(dǎo)體電極相對(duì)比其他電極來(lái)說(shuō)，透明度是其獨(dú)有特點(diǎn)，使 DE材料可用于諸如透明發(fā)光器件等特殊場(chǎng)合。

（5）IPN是一種新型聚合物，導(dǎo)電性高，還需繼續(xù)相關(guān)研究。

電極材料的性能是影響 DE器件性能的關(guān)鍵，但是 DE材料的厚度、預(yù)應(yīng)變以及電極材料的涂覆面積等都會(huì)對(duì)電極材料的性能產(chǎn)生影響，針對(duì)以上電極材料，其性能好壞尚無(wú)統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)盡快建立柔性電極材料及性能數(shù)據(jù)庫(kù)是推動(dòng) DE材料應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

參考文獻(xiàn)：

[1] PELRINE R, KORNBLUH R, PEI Q, et al. High-speed electrically actuated elastomers with strain greater than 100% [J]. Science, 2000, 287(5454): 836-839.

[2] LO H C, CALIUS E, ANDERSON I. Understanding efficiency limits of dielectric elastomer driver circuitry[C]//SPIE Smart Structures and Materials+Nondestructive Evaluation and Health Monitoring.International Society for Optics and Photonics. NY, USA:IEEE, 2013: 86870E-86870E-6.

[3] KOFOD G. Dielectric elastomer actuators [J]. J Phys D Appl Phys, 2008, 41(2): 1-11.

[4] HUANG J, SHIAN S, SUO Z, et al. Maximizing the energy density of dielectric elastomer generators using equi-biaxial loading [J]. Adv Funct Mater, 2013, 23(40): 5056-5061.

[5] ANDERSON I A, GISBY T A, MCKAY T G, et al.Multi-function dielectric elastomer artificial muscles for soft and smart machines [J]. J Appl Phys, 2012, 112(4):041101.

[6] NI N, WANG Y, LIU F, et al. A New dielectric elastomer sensor based on cantilever beam structure with constant strength [J]. Appl Mech Mater, 2014, 664: 279-283.

[7] MCKAY T, O’BRIEN B, CALIUS E, et al. An integrated,self-priming dielectric elastomer generator [J]. Appl Phys Lett, 2010, 97(6): 062911.

[8] KOH A S J, ZHAO X, SUO Z. Maximal energy that can be converted by a dielectric elastomer generator [J]. Appl Phys Lett, 2009, 94(26): 262902.

[9] KORNBLUH R D, PEI Q, ROSENTHAL M A. Dielectric elastomer artificial muscle actuators: toward biomimetic motion [C]//SPIE's 9th Annual International Symposium on Smart Structures and Mater. International Society for Optics and Photonics. NY, USA: IEEE, 2002: 126-137.

[10] ZHAO X, SUO Z. Theory of dielectric elastomers capable of giant deformation of actuation [J]. Phys Rev Lett , 2010,104(17): 39-87.

[11] 鄂世舉, 朱喜林, 高春甫. 介電彈性體發(fā)電的基本原理及在分布式發(fā)電中的應(yīng)用 [J]. 現(xiàn)代制造工程, 2009 (9):141-145.

[12] TAKAMATSU K, TUCHITANI S, KIKUCHI K.Formation of flexible for dielectric elastoer actuator[C]//Proc. JSME Kansai. NY, USA: IEEE, 2010: 9-15.

[13] ROSSET S, SHEA H R. Flexible and stretchable electrodes for dielectric elastomer actuators [J]. Appl Phys A Mater Sci Proc, 2013, 110(2): 281-307.

[14] CAROI F, CHIARELLI P, MAZZOLDI A, et al.Electromechanical characterisation of dielectric elastomer planar actuators: comparative evaluation of different electrode materials and different counter loads [J]. Sens Actuators A Phys, 2003, 107(1): 85-95.

[15] PELRINE R E, KORNBLUH R D, JOSEPH J P.Electrostriction of polymer dielectrics with compliant electrodes as a means of actuation [J]. Sens Actuators A Phys, 1998, 64(1): 77-85.

[16] SCHLAAK H F, JUNGMANN M, MATYSEK M, et al.Novel multilayer electrostatic solid state actuators with elastic dielectric [C]//Smart Structures and Mater.International Society for Optics and Photonics. NY, USA:IEEE, 2005: 121-133.

[17] KINOSHITA Y, TSUCHITANI S, KIKUCHI K.Development of flexible rubber electrode for dielectric elastomer actuator [C]//System Integration (SII), 2010 IEEE/SICE International Symposium on. NY, USA: IEEE,2010: 282-286.

[18] 朱長(zhǎng)純, 袁壽財(cái), 李玉魁．碳納米管及其應(yīng)用 [J]. 微納電子技術(shù), 2002(8): 1-6.

[19] 張冬至, 童俊, 劉哲, 等. 基于電活性聚合物薄膜柔性器件的觸覺(jué)傳感特性 [J]. 光學(xué)精密工程, 2014, 22(8):2151-2158.

[20] YUAN W, HU L, YU Z, et al. Fault-tolerant dielectric elastomer actuators using single-walled carbon nanotube electrodes [J]. Adv Mater, 2008, 20(3): 621-625.

[21] LOW S H, LAU G K. Bi-axially crumpled silver thin-film electrodes for dielectric elastomer actuators [J]. Smart Mater Struct, 2014, 23(12): 125021.

[22] LOW S H, SHIAU L S, LAU G K. Large actuation and high dielectric strength in metallized dielectric elastomer actuators [J]. Appl Phys Lett, 2012, 100(18): 182901.

[23] KEPLINGER C, SUN J Y, FOO C C, et al. Stretchable,transparent, ionic conductors [J]. Science, 2013, 341(6149):984-987.

[24] ONO T, SUGIMOTO T, SHINKAI S, et al. Lipophilic polyelectrolyte gels as super-absorbent polymers for nonpolar organic solvents [J]. Nat Mater, 2007, 6(6):429-433.

[25] CHEN B, BAI Y, XIANG F, et al. Stretchable and transparent hydrogels as soft conductors for dielectric elastomer actuators [J]. J Polym Sci Part B Polym Phys,2014, 52(16): 1055-1060.

[26] YANG C H, CHEN B, LU J J, et al. Ionic cable [J].Extreme Mech Lett, 2015, 3: 59-65.

[27] YANG C H, CHEN B, ZHOU J, et al. Electroluminescence of giant stretchability [J]. Adv Mater, 2015, 28: 1-5.

[28] 張敏, 李碧嬋, 陳良壁. 互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物水凝膠的制備及其吸附研究進(jìn)展 [J]. 化工進(jìn)展, 2015, 34(4):1043-1049.

[29] HA S, YUAN W, PEI Q, et al. Interpenetrating polymer networks for high-performance electroelastomer artificial muscles [J]. Adv Mater, 2006, 18(18): 887-891.

[30] HA S M, YUAN W, PEI Q, et al. Interpenetrating networks of elastomers exhibiting 300% electrically-induced area strain [J]. Smart Mater Struct, 2007, 16(2): S280-S287.

[31] KOVACS G. Contractive tension force stack actuator based on soft dielectric EAP [C]//SPIE Smart Structures and Mater Nondestructive Evaluation and Health Monitoring.International Society for Optics and Photonics. NY, USA:IEEE, 2009: 72870A-72870A-15.

[32] 于江成. 基于碳納米管電極的介電彈性體堆疊型驅(qū)動(dòng)器研究 [D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2014.

（編輯：陳渝生）

Development trends of flexible electrode technology for dielectric elastomer actuator

CAO Jianbo, REN Yuxue, E Shiju, XIA Wenjun, ZHOU Wu
(College of Engineering, Zhejiang Normal University, Jinhua 321000, Zhejiang Province, China)

The related researches about flexible electrode are summarized and analyzed. Flexible electrode is an important part of dielectric elastomer generator and actuator, and its performance directly affects the efficiency of dielectric elastomer generators and the driving performance of actuators. At present, the research of flexible electrode is in the initial stage. On the base of the different applications of the dielectric elastomer, the properties, preparation processes and methods of several typical materials such as carbon electrode, carbon nanotube electrode are analyzed. According to the different application conditions, the using field of the electrode materials is analyzed. It is found that flexible electrode materials require large flexibility and good electrical conductivity property. However, flexibility and conductivity of the electrode material is contradictory, at present. There are still several problems such as lack of fit, poor conductivity of the flexible electrode materials. Further study of the flexible electrode material and its preparation process are needed.

dielectric elastomers; flexible electrode; review; generator; actuator; deformation rate

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.07.002

TM201.4

A

1001-2028（2017）07-0009-08

2017-04-22

鄂世舉

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No. 51377146; No. 51407162; No.51405450）；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No. LY17E070001）

曹建波（1980－），男，山東濰坊人，副教授，主要從事介電彈性體發(fā)電技術(shù)的研究，E-mail: caojianbo2008@163.com；

任鈺雪（1994－），女，山西晉城人，研究生，主要從事介電彈性體方面的研究，E-mail: 465034792@qq.com；

鄂世舉（1970－），男，吉林長(zhǎng)春人，教授，主要從事新型功能材料驅(qū)動(dòng)與發(fā)電方面的研究，E-mail: 276828373@qq.com 。

時(shí)間：2017-06-29 10:22

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170629.1022.002.html