UCLA裴启兵AFM：基于碳纳米管-聚合物双层电极的稳定高应变介电弹性体驱动器

【研究背景】

基于丙烯酸弹性体的介电弹性体驱动器（DEAs）具有驱动应变大、能量密度高、重量轻等特点，在仿生机器人、触觉显示器、可调谐光学和微流体等领域有着广泛的应用前景。然而，丙烯酸基DEAs表现出较差的可靠性和耐久性，特别是在大应变下，由于操作接近弹性体膜的介电击穿场，电极的柔韧性和连续性有限。在薄膜加工过程中形成的缺陷，如空隙、不均匀厚度、颗粒和应力集中，也会导致执行器在电压明显低于由弹性体场强确定的电压时因局部击穿而过早失效，其实际应用受到一定的阻碍。为了解决这个问题，人们探索了各种顺应电极来自清除局部击穿位点（也称为自愈电极），从而通过存活一定数量的局部击穿事件显著延长了DEAs的寿命。然而，它们的自我修复过程总是需要10个多小时才能完成，这对于重新激活DEA来说耗时太长。

【成果简介】

近日，美国加州大学洛杉矶分校裴启兵教授报道了一种互穿双分子层顺应电极，该电极包含一薄层水性聚氨酯（WPU），其覆盖在超薄单壁碳纳米管（SWNT）层上。薄的聚氨酯层作为介质阻挡层来抑制空气中纳米管的电晕放电。SWNT+WPU双层电极具有击穿部位自清除的能力，提高了DEA在大应变驱动下的容错性和可修复性。实验结果显示，以丙烯酸弹性体为基础的DEAs实现了在方波电压下150%面积应变下1000次循环的稳定致动和恒定电压下5.5h的连续致动。该文章近日以题为“Stable and High-Strain Dielectric Elastomer Actuators Based on a Carbon Nanotube-Polymer Bilayer Electrode”发表在知名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【图文导读】

图一、DEA的制造工艺及应变曲线

（a）具有柔顺电极的200%双轴预拉伸VHB基DEA的制造工艺。

（b）聚酯基WPU的化学结构及其应力-应变曲线。

（c）在200%双轴预拉伸VHB膜上施加升高电压的电致应变函数，该膜两面都有碳润滑脂、SWNT、SWNT+WPU、SWNT+CN9021和SWNT+PEDOT电极。

图二、双层电极的示意图及形貌表征

（a-b）衬底上沉积的SWNT电极和衬底上沉积的SWNT+聚合物双层电极的示意图。

（c-h）分别为聚合物的外表面和SWNT内表面朝向衬底的沉积双层顺应电极的SEM图像。

图三、稳定性试验

（a）采用SWNT+WPU、SWNT和碳脂电极，在0.05 Hz的3kV方波电压下，对200%双轴预拉伸VHB基DEA进行驱动稳定性试验。

（b-d）SWNT+WPU、SWNT和碳脂电极的200%双轴预拉伸VHB基DEA在3kV恒定电压下的致动稳定性试验。

图四、高应变下放电自清除

（a）3.4 kV方波电压下0.05 Hz的实时驱动应变。

（b）采用SWNT+WPU电极的200%双轴预拉伸VHB基DEAs在3.4kv恒压下的实时驱动应变和相应电流。

（c）从支持信息中的自清除视频捕获的图像，以及在恒定电压驱动下通过穿孔形成的孔的SEM图像。

【结论展望】

综上所述，作者通过在单壁碳纳米管（SWNT）网络上覆盖一层薄薄的WPU聚合物层，制备了一种互穿双层柔性电极。这种双层电极在3.8kv电压下可获得225%的驱动应变。在高应变下发生介质击穿时，它具有自清除能力，以避免终端击穿。在恒定电压下150%驱动应变下运行，致动器至少5.5 h内表现出高稳定性。在0.05 Hz下150%驱动应变下的方波电压运行下，驱动稳定1000个周期。这种双层电极解决了裸单壁碳纳米管电极的驱动不稳定性问题，因为双层电极中的单壁碳纳米管尖尖嵌在电介质WPU层中。暴露在外的纳米管尖端引起的电晕放电可能已经转变为无声的、微弱的放电。改进的驱动稳定性应该是使DEAs更接近实际应用的一个重要发展。

文献链接：Stable and High-Strain Dielectric Elastomer Actuators Based on a Carbon Nanotube-Polymer Bilayer Electrode (Adv. Funct. Mater., 2021, DOI:10.1002/adfm.202008321)

本文由大兵哥供稿。

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