介绍
电活性聚合物（EAP）是指响应强电场而改变其尺寸、形状或体积的聚合物。在“活性材料”领域（如压电体、热弹性聚合物、形状记忆合金和聚合物或磁致伸缩材料），电活性聚合物因其大的主动变形潜力、高响应速度、低密度和提高的弹性而脱颖而出。它们重量轻、价格低廉、耐断裂且符合要求。1.
研究所
苏黎世联邦理工学院CAAD主席
作者
Manuel Kretzer
类别
材料信息
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根据它们的工作原理，它们可以分为两大类：离子EAP和电子EAP。
离子EAP是由电刺激过程中离子的位移驱动的，这会导致形状或体积的变化。它们的主要优点是可以通过低至1-2V的电压驱动，但由于离子在电解质中扩散，因此需要始终保持湿润。它们主要用作弯曲致动器，具有较强的弯曲能力，但响应速度相当慢。由于生产稳定的材料配置是相当困难的，它们是昂贵的，并且通常不能在商业上获得。
电子EAP是由强电场驱动的。产生的静电力导致材料形状的机电变化。通常，由于它们的大平面内变形，它们被用作平面致动器。与离子EAP相反，它们在干燥条件下工作，但需要在几千伏范围内的非常高的激活电压。它们的响应非常快，表现出相对较大的激活应力，并且可以在直流激活下保持诱导位移。
左：康拉德·威廉·伦琴
历史
首次报道的电活性现象可以追溯到1880年，当时威廉·伦琴观察到一端有重物的固定橡胶带在充电和放电时的长度变化。1899年，M.P.Sacerdote证实了伦琴的实验，并提出了应变响应电场激活的理论。
下一个里程碑发生在1925年，当时发现了第一种压电聚合物，称为驻极体。它是通过将巴西棕榈、蜡、松香和蜂蜡混合形成的，然后在将混合物暴露于直流偏压场的同时冷却和固化混合物。1969年，人们证明聚偏二氟乙烯（PVDF）具有很大的压电效应，因此开始研究具有类似效应的聚合物。
1977年，白川秀明发现了第一种导电聚合物，用碘掺杂聚乙炔，使其导电性提高了八倍，接近金属的导电性。[2] 在20世纪90年代初，离子聚合物-金属复合材料被开发出来，其表现出比以前的EAP更好的电活性（更低的激活电压，更大的变形）。2002年，Eamex在日本生产的第一种含有EAP作为人工肌肉的商业开发设备是一条鱼，它可以自己游泳。人造肌肉公司于2008年开始从硅树脂和丙烯酸聚合物中工业化生产EAP。[3]
设备结构和操作
在电子EAP中，特别是软介电EAP，也称为介电弹性体（DE）或“人造肌肉”，表现出有希望的功能特性，因为它们能够承受高达380%的应变，非常灵活，重量轻，薄，透明，基本上可以定制成任何尺寸或形状。4.
DE致动器的中心元件由薄弹性体膜（例如硅树脂或丙烯酸树脂）组成，该弹性体膜的两侧涂有两个柔性电极或夹在两个柔性的电极之间。在这种配置中，聚合物充当柔顺电容器中的电介质。5.
DE工作原理
当在电极之间施加电压时，相反的电荷从一个电极移动到另一个电极，结果在膜的厚度方向上挤压膜。由于材料接近不可压缩，这导致平面膜膨胀。当电压被关断并且电极被短路时，EAP返回到其原始形状。观察到的聚合物膜的响应主要是电极上静电荷之间相互作用的结果。基于软介质EAP的工作原理，可以实现抵抗外力的两个主要方向，因此已经开发出两种主要类型。6.
膨胀致动器在（两个）平面方向上抵抗外部压力负载执行工作。它们通常处于一定的预拉伸状态，并且通常由机械支撑结构或框架支撑。在这些系统中，当材料在激活下松弛时，支撑物被释放。根据预拉伸比，可以实现不同方向的不同膨胀。
堆叠的或可收缩的致动器由几百或几千层组成，并且可以抵抗在厚度方向上作用的外部拉伸载荷，因为材料在激活时被压缩。它们由未拉伸的材料制成，可以将力直接传递到物体上。
制作
为了成功地产生DE致动器，薄膜和电极都必须满足某些特性。
薄膜必须薄且厚度均匀，不可压缩，并且是具有高击穿强度的良好电隔离器。因此，硅酮、聚氨酯和丙烯酸基聚合物已成为最合适的材料。硅酮表现出快速的激活反应，并且可以在大的温度范围内操作。聚氨酯比硅酮表现出更大的力输出，丙烯酸具有良好的介电强度。在市售的丙烯酸中，特别是3M公司的VHB（非常高的结合）膜在机电应变方面表现良好，产生高压和非常高的比弹性能量密度。
用于DE换能器的电极最需要具有良好的导电性，即使在拉伸时也是如此。它们必须尽可能薄并且与介电膜结合良好。这通常通过应用导电颗粒来实现，例如金属、炭黑或石墨粉末。颗粒通常与油脂、油或液体硅酮混合，用于电阻较低的较厚电极，并通过喷涂或刷涂。
为了向电介质弹性体提供必要的高DC激活电压，使用HV源或放大器。在激活时间不重要的情况下，可以使用体积较小、价格较低的升压转换器。
DE装置结构
应用
除了使用电介质弹性体作为机械致动器之外，它们还可以用作传感器，因为当带电的DE装置拉伸或收缩时，电极内的串联电阻会发生变化。此外，它们可用于将机械功转换为电能，并因此用作DE发电机，其在形状和设计上的柔软性和灵活性提供了额外的质量