动态纳米棒网络调控策略实现介电弹性体纳米复合材料高介电常数、低模量与高击穿强度的协同优化

针对介电弹性体(DEs)在高介电常数(εr )、低模量(Y)与高击穿强度(Eb )之间的性能矛盾，研究人员通过构建动态纳米棒网络结构，利用粗粒化分子动力学(CGMD)模拟结合准静电有限差分模型，揭示了通过调控纳米棒长径比、浓度及相互作用强度可实现三者协同优化。该策略为柔性电子器件与软机器人等领域提供了新材料设计思路。

　　

介电弹性体(Dielectric Elastomers, DEs)作为电活性聚合物的明星材料，在软机器人、可穿戴设备等领域展现出巨大潜力，但其性能始终被一个"不可能三角"所制约——高介电常数(ε_r
)、低弹性模量(Y)和高击穿强度(E_b
)难以兼得。传统方法往往顾此失彼：添加高含量填料虽能提升ε_r
，却会导致Y激增和E_b
骤降；而降低填料含量又难以获得足够的极化能力。这种矛盾严重限制了DEs在动态工况下的实际应用。

来自齐鲁工业大学、北京理工大学等机构的研究团队独辟蹊径，提出"动态纳米棒网络"的创新设计策略。通过粗粒化分子动力学(CGMD)模拟结合有限差分准静电建模，发现纳米棒在低浓度下即可形成三维网络结构，其耦合效应使ε_{r
提升3倍以上；当材料受电场作用发生大变形时，纳米棒取向变化会主动破坏导电通路，从而避免电场集中导致的击穿；撤去外场后，熵弹性驱动网络重构恢复高介电性能。这种自适应特性完美解决了DEs的性能悖论，相关成果发表在《Polymer》上。}

关键技术包括：1) 粗粒化分子动力学(CGMD)模拟纳米棒自组装行为；2) 有限差分准静电模型计算介电性能；3) 多参数调控系统（纳米棒长径比5-15、体积分数1%-10%、相互作用强度0.1-10ε）；4) 交联密度梯度设计（0-20%）。

【模型与计算细节】
构建含200个LJ珠的聚合物链模型，纳米棒由5-15个珠线性连接。通过调节珠间相互作用能(ε_nr
)模拟不同界面结合强度，交联密度(ρ_c
)通过随机连接单体实现。

【结果与讨论】
在5-mer纳米棒体系中，当体积分数达5%时形成连续网络，ε_r
从基体的3.5跃升至12.8。拉伸至100%应变时网络解离使E_b
提升47%，而模量保持在0.5MPa以下。交联密度ρ_c
=10%时获得最优综合性能，验证了"低渗流阈值-高介电增强-动态保护"的设计理念。

【结论】
该研究首次实现DEs三大性能参数的协同调控，其动态网络设计原理可推广至其他功能复合材料。特别值得注意的是，纳米棒在应变下的取向转变行为为解决"机电失稳"这一行业难题提供了新思路，对开发下一代智能软体机器人和自供电柔性器件具有重要指导意义。