漆器产业的可持续发展与聚合物基功能创新：资源、技术及产业化路径——介电弹性体致动系统用甲基乙烯基硅橡胶基多维填料复合柔性电极材料的制备与性能研究

《Polymers》：Sustainable Development and Polymer-Based Functional Innovation in the Lacquer Industry: Resources, Technologies, and Industrialization Pathways

　　

为开发用于微型爬行机器人介电弹性体致动（Dielectric Elastomer Actuation，DEA）系统的高性能柔性电极材料，研究人员提出以甲基乙烯基硅橡胶（Methyl Vinyl Silicone Rubber，VMQ）为基体构筑多维填料复合电极材料。采用三种导电填料——零维超导炭黑（Super-conductive Carbon Black，SCCB）、一维单壁碳纳米管（Single-Walled Carbon Nanotubes，SWCNTs）及二维片状微米银粉（Flaky Micron-sized Silver Powder，FMSP）——通过三步制备策略在硅橡胶基体中构建分级多维导电网络。系统研究了所得复合电极材料的电导率及导电稳定性，分析了材料电学性能变化的内在机理与演变规律；探讨了不同维度形态填料在各制备阶段对复合材料综合性能的影响，确定了各组分的最佳填料用量。分阶段导电网络形成的显微组织观察进一步验证了分步功能设计模型的合理性。优化后复合电极初始电导率达1.5×104S/m，在50%拉伸应变下电导率衰减仅14.9%，表现出优异的电机械稳定性。此外，采用优化复合电极制作了微型爬行机器人原型，最大直线爬行速度达8 mm/s。实验结果验证了所提多维填料复合策略的可行性与优越性，为柔性电子及微机器人致动用高性能柔性电极材料的设计与开发提供了新技术方案。

一、研究背景与立项依据

介电弹性体（Dielectric Elastomer，DE）作为一种智能软活性聚合物材料，在外加电场下可产生显著形变，具有高应变能密度、高机电转换效率、响应快、质轻等优点，广泛应用于致动器（Actuator）、传感器及能量收集器，在人工肌肉、软体机器人、航空航天领域具重要潜力。典型介电弹性体致动器（Dielectric Elastomer Actuator，DEA）为三明治结构：中间为介电弹性体层，上下为柔性电极层。柔性电极须同时具备高电导率与高导电稳定性，以及高柔顺性、高粘附性、高可拉伸性等力学性能。现有柔性电极——金属基薄膜（高模量、低延展、易界面分层）、碳基涂层如碳脂（低电导率、循环稳定性差）、单一纳米碳或金属纳米线网络（导电好但机械柔性差，拉伸中产生微裂纹导致电阻骤升与电场集中）——均难以兼顾优良电学与机械性能，严重制约DEA器件的高性能化与长寿命。甲基乙烯基硅橡胶（VMQ）具低模量、宽温域、耐氧化、生物相容性好，是理想柔性基体。引入多维度导电填料构建协同导电网络是突破单一填料性能瓶颈的有效途径。本研究以VMQ为基体，分步引入零维SCCB、二维FMSP和一维SWCNTs，旨在设计制备兼具高电导率、优异电机械稳定性与良好力学柔性的复合柔性电极材料，并验证其在DEA驱动微爬行机器人中的应用。

二、主要关键技术方法

研究人员以110-2型甲基乙烯基硅橡胶（VMQ）为基体，分别加入超导炭黑（SCCB，35~40 nm）、片状微米银粉（FMSP，1~5 μm，经乙烯基三乙氧基硅烷A151表面改性）及单壁碳纳米管（SWCNTs，>95%），按三阶段配方（A1：SCCB/VMQ；A2：SCCB/FMSP/VMQ；A3：SCCB/FMSP/SWCNTs/VMQ）在转矩流变仪与开炼机上机械混炼，经平板硫化（170℃×T₉₀）及二次硫化（200℃/4 h）制备试样。对照组的A4为仅含2 phr SWCNTs的VMQ复合材料。通过硫化仪与橡胶加工分析仪（Rubber Processing Analyzer，RPA）表征加工性能；四探针电阻率测试仪测体积电阻率并计算电导率σ= h/(R·S)，拉伸下导电稳定性以(Δσ/σ₀)×100%表征；万能材料试验机测应力-应变曲线、Shore A硬度及T型剥离强度表征力学与界面粘附性能；扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）观察填料分散与导电网络微观形貌；最终以最优A3配方制作三层DE膜-四层电极的DEA驱动微型爬行机器人原型并进行运动测试。

三、研究结果

3.1. Stage 1：SCCB/VMQ复合电极材料（A1）的性能测试与表征

通过硫化曲线、RPA储能模量G′随SCCB含量（12~20 phr）的变化确定加工特性；电导率-体积分数曲线判定渗滤阈值（Percolation Threshold）为3.35~4.95 vol%（约8~12 phr），超过阈值后电导率增长放缓趋于~3×10¹S/m。SEM显示12 phr时形成初步导电通路，20 phr时颗粒密集但开始团聚。拉伸下（50%应变）电导率衰减超50%，导电网络在低应变区即遭较大破坏。综合电学、力学（断裂伸长率>400%、杨's Modulus<4 MPa）及后续多维填料填充空间，选定SCCB最佳用量为12 phr进入下一阶段。

3.2. Stage 2：SCCB/FMSP/VMQ复合电极材料（A2）的性能测试与表征

在SCCB 12 phr基础上引入FMSP（50~200 phr）。FMSP>50 phr时形成新导电网络，电导率由10⁰S/m跃升至10³~10⁴S/m量级；150 phr FMSP组在50%拉伸应变下电导率衰减降至约30.9%，导电稳定性明显改善。力学测试显示A2断裂伸长率提升至>500%，杨氏模量<4 MPa，永久变形率降低（150 phr FMSP组最低为13%），FMSP缓解了SCCB引起的刚性约束、改善填料分散与界面。SEM证实SCCB均匀分散于FMSP片间，形成二元协同导电网络。选定SCCB 12 phr + FMSP 150 phr为第二阶段最优配方进入第三阶段。

3.3. Stage 3：SCCB/FMSP/SWCNT/VMQ复合电极材料（A3）的性能测试与表征

在A2基础上引入SWCNTs（0.5~3 phr）。SWCNTs填充SCCB-FMSP二元网络微隙并桥接离散填料，构建更高效三元导电网络；电导率随SWCNTs增加至2 phr时达峰值（初始~1.5×10⁴S/m），超过2 phr因纳米填料团聚导致电导率略降，故最佳SWCNTs用量为2 phr。50%拉伸应变下电导率衰减最低仅14.9%（100%应变下衰减25.7%），显著优于A1和A2，高长径比SWCNTs随基体分子链迁移至FMSP间隙形成新桥接通路补偿拉伸导致的网络破坏。力学上A3杨氏模量略升、断裂伸长率降至约354%（仍远高于DEA实际工作应变<50%），永久变形随SWCNTs增加而微增。SEM显示拉伸后SWCNTs交错分布于FMSP间隙及断面，与三级功能设计模型吻合。200次拉伸循环电导率无明显衰减，证实循环疲劳稳定性。

3.4. 硅橡胶基多维填料复合电极材料的性能分析与对比

对比A1~A4最优样品：A3初始电导率（~1.5×10⁴S/m）与电机械稳定性（50%应变衰减14.9%）最优；A2力学柔性与粘附最强（断裂伸长520%、剥离强度63 N/cm）但电学弱于A3；仅含SWCNTs的A4电导率与稳定性均远低于A3，证实SCCB（基础导电网络）、FMSP（高导电增强与力学增韧）与SWCNTs（动态桥接稳导）三者梯度协同不可或缺。雷达图显示A3综合性能最接近理想正八边形且覆盖面积最大。

3.5. 基于硅橡胶基多维填料复合电极材料DEA驱动微爬行机器人的制作与实验

以A3为电极、VMQ为介电层制成三膜四电极DEA叠层，组装具前单腿与后对称双腿（45°触地角）的柔性微爬行机器人。施加幅值2 kV、频率10 Hz锯齿波电信号时，机器人最大直线爬行速度达8 mm/s，验证了复合电极在DEA实际应用中的可行性。

四、讨论与结论翻译

研究人员通过三步法系统探究了零维SCCB、二维FMSP和一维SWCNTs在VMQ基体中的分级作用机制，确定了SCCB渗滤阈值为3.35~4.95 vol%（8~12 phr），饱和电导率约30.01 S/m；(2) 优化后A3样品（SCCB 12 phr / FMSP 150 phr / SWCNTs 2 phr）初始电导率为1.5×10⁴S/m，50%拉伸应变下仅衰减14.9%至约1.3×10⁴S/m；(3) 基于A3组装的DEA驱动微爬行机器人原型最大直线运动速度达8 mm/s。并指出DEA用柔性电极未来需关注更优拉伸回复性、导电网络在复杂变形下的稳定性及与刚性外设互连技术。本研究提出的多维填料互补协同设计策略有效克服了单一/二元填料体系性能局限，实现了电导率、电机械稳定性与力学柔性的同步优化，为介电弹性体致动系统等柔性电子用高性能柔性电极的开发提供了新途径。