分子级杂化网络结构设计实现低电场驱动下大应变高稳定性的介电弹性体

针对介电弹性体(DE)低介电常数(εr)和高杨氏模量(Y)导致驱动电场强度高的难题，研究人员通过构建硅橡胶-聚氨酯-丙烯酸酯分子级杂化网络结构，开发出Acry-PU3新材料，在15 kV/mm低电场下实现28%的极大驱动应变，同时具备92 mN/g高输出力，为软体机器人等领域提供了高性能电致动解决方案。

　　

在软体机器人和智能仿生领域，介电弹性体(Dielectric Elastomer, DE)因其能将电能直接转化为机械能而备受关注。这类材料可模拟生物肌肉运动，被广泛应用于人工肌肉、传感器和微型驱动器等领域。然而现有DE材料面临一个关键瓶颈：要实现显著形变通常需要施加极高的驱动电场，这既增加能耗又存在安全隐患。究其根源，传统DE材料存在"双低一高"的固有缺陷——介电常数(ε_r)低、驱动灵敏度因子(β=ε_r/Y)低，而杨氏模量(Y)偏高。

为攻克这一难题，国内研究人员创新性地提出分子级杂化网络结构设计策略。通过将羟基封端聚二甲基硅氧烷(OH-PDMS)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)与4-羟基丁基丙烯酸酯(HBA)进行紫外光固化交联，构建出硅橡胶-聚氨酯-丙烯酸酯三元杂化体系。这种设计巧妙融合了三种材料的优势：聚氨酯链段中的氨基甲酸酯极性基团提升ε_r，丙烯酸酯提供可调控的交联密度，而硅氧烷主链则赋予材料柔韧性。

研究采用紫外光固化、动态力学分析、介电频谱测试等关键技术，通过精确调控羟基与异氰酸酯基团比例实现聚合物链结构的定向设计。结果发现，当n(OH):n(NCO)=1:3时制备的Acry-PU3材料展现出最佳性能组合：介电常数达3.7@10³ Hz，杨氏模量低至0.083 MPa，在15 kV/mm的超低电场下即可产生28%的厚度方向应变，远超多数报道的DE材料。更令人振奋的是，基于该材料制作的线性驱动器可实现0.55 mm位移和92 mN/g输出力，且经过1000次循环测试后性能衰减不足5%，展现出卓越的驱动稳定性。

"结构设计"部分揭示了材料构效关系：傅里叶变换红外光谱证实了氨基甲酸酯键的成功形成，动态热机械分析显示储能模量随频率变化平缓，说明材料具有理想的粘弹性。在"介电性能"方面，宽频介电谱证明极性基团的引入使ε_r较纯硅橡胶提升49%，而介电损耗仍保持在0.05以下。"机电性能"测试中，Acry-PU3的驱动灵敏度因子β达到44.6×10^-3 mm²/V²，是传统VHB4910材料的3.2倍。

这项研究突破了DE材料低电场驱动与大应变不可兼得的技术瓶颈，其创新点主要体现在三方面：首先，分子级杂化网络实现了极性基团与柔性链段的精准调控；其次，线性聚合物链设计在提升ε_r的同时有效降低Y；最后，紫外固化工艺保证了材料制备的高效可控。该成果不仅为开发新一代低能耗电致动器提供了材料基础，其分子设计思路对其它功能弹性体的开发也具有重要借鉴意义。正如研究者指出，这种材料在微型机器人、智能假肢等领域展现出广阔应用前景，未来通过进一步优化网络结构，有望实现更优异的机电转换性能。