电活性聚合物是近年来发展起来的一类新型柔性智能材料,是软物质领域的重要研究内容之一。由于具有应变大、柔韧性好、质量轻等独特性质,EAP在航天航空、仿生机械、生物医学等多个领域极具应用前景。以潜在技术的市场分析研究著称的IDTechEx公司在其分析报告Electroactive Polymers and Detoices 2013-2018:Forecasts,Technologies,Players中指出EAP是最有未来潜力的技术之一,并预测到2018年,与EAP相关的产品市场将达到22.5亿美元,尤其是在驱动器领域,与医疗设备和仿生机器人等相关的研究将成为重点发展领域。
EAP材料主要包括电场型和离子型两大类型。电场型EAP的典型代表材料是介电弹性体(dielectricelastomer,DE)材料,它包括聚丙烯酸酯、硅橡胶、PDMS等。相比于其他EAP材料,DE材料独有的特点是弹性模量低、变形大,在其上下表面涂上柔性电极后,电激励可产生100%的应变,在机械力的联合作用下甚至可以达到2200%的面积应变。这种变形尺度大大超过了一般压电材料和形状记忆材料的变形尺度,因此,在一些需要大变形的场合具有巨大的应用潜力。此外,它的机电转换效率最大可达90%,频率响应范围可从0.1Hz到20kHz。由于DE材料具有这种快速、大变形的特点,在某些特定的环境下使用具有独特的优势,可以作为微型驱动器应用于微小型机器人、生物医学领域等。自从这些优异特性在2000年由Science期刊报道之后,引起了国内外学者的广泛关注。不少学者围绕新型DE材料及器件的设计和制备、DE材料力电耦合下的大变形机理等开展了大量研究,成果陆续发表于Sczence、Nature、Physical Review Letter、PNAS等高水平的期刊上,使DE材料研究迅速成为软物质科学最活跃的研究方向之一。基于DE材料这种高效的机电转化特性,新型的柔性器件和结构也得到了发展,如柔性机械驱动结构、可弯曲的柔性电子系统、高压绝缘储能器、软体机器人等。
总体来看,DE材料的研究属于前沿学科及交叉学科的研究范畴,该领域目前仍属于一个并不成熟且正在积极探索的研究领域。但鉴于其具有巨大的学术价值和广阔的应用前景,本书对介电弹性柔性材料的基本性能、力电耦合理论模型、力电响应影响机制及其调控、驱动器和俘能器设计等主要内容进行详细介绍,并介绍该智能材料的应用研究案例,其目的一是推动DE材料的实用化进程,二是为其他类型的电活性聚合物材料的研发提供借鉴。
全书由陈花玲教授与周进雄教授组织编写。陈花玲教授负责所有章节的编校及全书的统稿工作,书中第1、2、4、9章主要由李博讲师编写,第3、6、7、8章主要由张军诗博士及盛俊杰博士共同编写,第5、12章主要由刘磊博士编写,第10、11章主要由周进雄教授和陈宝鸿博士编写,第13章主要由王永泉副教授及钟林成硕士和王垠博士编写,第14章主要由张弛博士编写。
在编写本书各章内容中,部分内容采纳了课题组其他博士和硕士研究生的实验结果。在课题研究过程中,也得到了西安交通大学李涤尘教授、贾书海教授的协助与帮助,作者在此一并表示感谢!
本书是作者所在科研团队近十年来从事“介电弹性体智能材料力电耦合性能及其应用”的科研工作总结,在研究过程中得到国家自然基金重大项目“结构/功能一体化精准制造技术研究(51290294)”,国家自然科学基金创新群体项目“轻质非均匀介质的力学行为(11321062)”,国家自然基金面上项目“介电弹性功能材料机电耦合失效机理及行为研究(10972174)”、“介电弹性体动态换能机理及能量收集系统设计方法研究(51375367)”、“介电弹性材料在力电耦合变形下的击穿破坏行为研究(11402184)”、“柔性离子液体凝胶驱动的介电弹性体高频振荡器力电耦合行为(11472210)”“非均质高强水凝胶非均匀溶胀诱发失稳斑图调控的实验和数值模拟(11372239)”,教育部博士点基金项目“介电弹性材料的力电耦合非线性动力学行为研究(20120201110030)”等的资助,借此机会对这些资助表示感谢。此外,本书在编写过程中也参考了大量相关领域的书籍和资料,借此机会也对这些作者表示感谢!
由于编者水平有限,书中难免存在疏漏和不足之处,恳请广大读者不吝赐教,给予指正。