介電彈性體的案例
介電彈性體人工肌肉Acc. Chem. Res.綜述：材料創新和器件探索
從形狀記憶合金（SMA），到氣動制動器，再到電活性聚合物（EAP）都可能實現人造肌肉目標的核心。其中，EAP是和天然生物材料最為接近的人造材料，它們包括離子注入和基于電場的致動機制。
【成果簡介】
在EAP的領域中，最主要的研究方向是介電彈性體（DEs），它們應變大、斷裂韌性和功率重量比與天然肌肉相近。雖然介電彈性體致動器（DEAs）在過去的20年里展現了巨大潛力。如何解決圍繞DEA的核心問題，包括改善其在溫度和電壓方面的操作范圍，為材料添加新功能，以及提高它們所依賴的組件的可靠性。
近日，加州大學洛杉磯分校的裴啟兵教授（通訊作者）在Acc. Chem. Res.上發表了一篇題為 “Dielectric Elastomer Artificial Muscle: Materials Innovations and Device Explorations” 的綜述文章，涵蓋了該課題組和其他人在相關領域的重要研究。同時，本文還討論了可變剛度聚合物，特別是雙穩態電活性聚合物，對于軟驅動器技術通常無法實現的結構應用的開放式DEA，探索了與高度柔順和透明電極相關的科技進步。最后，文章介紹了應用前景及當前DEA技術面臨的挑戰，并推測可能進一步推進基于DE的人工肌肉整體的研究方向。
【圖文導讀】
圖1 DEA的工作原理示意圖
DEA由夾在兩個柔性電極之間的彈性體組成，當施加電壓時，發生電荷分離并在膜上引起靜電壓力，這會使薄膜變形，增加其面積并減小其厚度。
圖2 VHB丙烯酸彈性體的驅動性能。
展開 《先進功能材料》智能介電彈性體驅動器：電場與力學自愈合
介電彈性體由于具有質量輕，柔韌性好，高能量密度以及響應迅速等優良特性，在驅動器，軟體機器人，電子皮膚，人工肌肉，能量采集等領域具有重要的應用前景。常規驅動電壓一般 > 1kV，容易使材料發生介電擊穿，同時材料在使用時不可避免地產生內部局部損傷,也會導致材料失效從而縮短使用壽命。采用具有自愈功能的介電智能材料，能使其自發進行自我修復，從而延長電容器使用壽命。
英國華威大學 (University of Warwick)的Chaoying Wan 課題組 (通訊作者)及其博士生Chris Ellingford聯合英國巴斯大學(University of Bath)的張妍博士(Yan Zhang, 第一作者)和 Chris Bowen教授等研究人員，通過一步法改性商品化熱塑性彈性體，制備了一種具有高介電和自愈合功能的新型彈性體材料，首次報道了其電學與機械(圖１)自愈合能力以及驅動性能，研究成果近期發表在Advanced Functional Material上。
圖１MGSBS的力學損傷及其修復過程。
自愈后的材料在“傷口”界面處有一定的雜質或空氣，當對材料施加電壓時，電場會在這些低介電常數的區域集中，使得愈合后的材料在發生介電擊穿時依然在這些“傷口”區域，如圖2的模擬結果所示。將材料在33 %進行預拉伸制成介電驅動器，其驅動性能結果顯示經介電擊穿后并自我修復完的材料有67 %的恢復水平，經力學損傷后并自我修復完的材料具有損傷前材料介電強度的39 %，如圖3。
圖2自愈合聚合物材料介電失效的有限元分析
圖3 基于MGSBS介電聚合物材料的驅動器及其自愈合能力
研究報告發表于《先進功能材料》雜志。
展開 中科院納米能源所蒲雄研究員、王中林院士團隊ACS Nano：通過水凝膠-介電彈性體界面處的動態雙電層實現發電和自供電傳感
當液體與固體相接觸時，在二者的界面處會形成雙電層，這是電化學、微流體學和膠體化學等許多研究領域的基礎。近期的一些研究表明，在不同的環境刺激下，液固界面雙電層的動態變化可以對外輸出電功，例如濕度變化、水蒸發發電等。此外，機械運動也可以引起固-液界面的動態變化，從而實現機械能-電能的轉換。前期的一些工作報道了基于水滴與介電聚合物間動態界面的發電器件。
近來，中科院納米能源所蒲雄研究員和王中林院士課題組設計并制備了基于水凝膠-介電聚合物間動態界面的發電器件，實現了機械-電能的轉換，并基于此構建了用于監測人體運動的自驅動柔性力敏傳感器。該器件工作原理為：首先，水凝膠與介電聚合物之間的接觸起電可以使介電聚合物表面帶電，并在水凝膠與介電聚合物間界面形成雙電層；然后，金字塔形水凝膠的周期性機械變形導致雙電層面積和電容的周期性變化，從而在外部電路中感應出交流電（圖1a）。該工作認為水凝膠-介電聚合物界面的雙電層是通過界面接觸起電和異號電荷靜電吸引兩步形成的，而界面的接觸起電是主要基于水分子與介電聚合物間的電子轉移（圖2）。利用這種基于動態雙電層的機電轉換機制，該工作構建了可拉伸的自驅動壓力傳感器（圖3）。進一步地，通過增加介電彈性體聚合物的表面粗糙度，提高了傳感靈敏度，在 31-300 Pa 的低應力范圍內，靈敏度可以達到 1.40 kPa-1；最后，該工作示意了利用此傳感器檢測人體機械運動和生理信號（圖4）。這種機電能量轉換器件和相應的自驅動傳感器有望廣泛應用于未來的柔性電子器件。
展開 產業研究｜聚酰亞胺：為什么要“低介電”？如何才能“低介電”？
3）復合改性：通過與其他低介電材料進行復合改性，使得聚酰亞胺整體介電常數降低。
南洋理工大學《AFM》堅韌、可拉伸和自修復聚氨酯膠粘劑彈性體-軟機器人
自修復介電彈性體執行器
圖5
使用
UPy-CPU-2 聚合物的介電彈性體致動器 (DEA
) 的性能。
a) 在 1 kHz 至 1 MHz 的頻率范圍內測量的 UPy-CPU-2 的介電常數和介電損耗角正切。b) UPy-CPU-2 DEA 獲得的代表性面積應變和在環境條件下愈合 12 小時后愈合的 UPy-CPU-2 DEA 的面積應變顯示幾乎完全恢復。c) UPy-CPU-2 DEA 在關閉狀態和開啟狀態下在 ≈50 V μm
-1
下具有重疊的碳油脂電極。愈合區域可以通過紅色箭頭指示的疤痕識別。d) 移除電極后，在 UPy-CPU-2 中觀察到由介電擊穿形成的孔。e) UPy-CPU-2 再次預應變并顯示孔的恢復。插入物展示了去除預應變后損壞區域的擠壓。f) UPy-CPU-2 DEA 獲得的代表性面積應變和電愈合 UPy-CPU-2 DEA 在環境條件下愈合 12 小時后的面積應變。g) 附著在 UPy-CPU-2 DEMES 上的帶有 PET 腿的 DEMES 履帶式行走裝置。機器人的起始位置用紅色虛線表示。施加≈30 V μm
-1
后，應力狀態發生變化，導致身體向下推，腿向前推。當電壓被移除時，由于兩個接觸點之間的
不對稱摩擦，機器人的身體被向前拉。從指示其終點的藍色虛線可以看出在單個步驟中行進的大致距離。
總結
通過在聚氨酯上設計
UPy 和羧基，分級動態氫鍵賦予薄膜
高拉伸強度 (9.44 MPa)、斷裂伸長率 (2340%) 和韌性 (74.85 MJ m
-3
)
。此外，隨著丙酮和 IPA 等極性溶劑的引入，由于其作為增塑劑的作用，增加了聚合物鏈的流動性和改變聚合物鏈平衡的能力，因此可以顯著提高自修復效率和粘合強度。氫鍵與解離狀態。
展開 《Science Advances》：高導熱、電絕緣介電聚合物的溶液剪切！
根據Wiedemann-Franz定律，電和熱傳輸參數，即σ和κ，在某種程度上是相互關聯的，因此，通過高介電常數和介電強度以及高導熱性來測量電絕緣性能是很困難的。聚合物絕緣體由一簇分散的分子間力組成，對熱傳遞(聲子)有很強的阻力，而電子的貢獻微乎其微，這就阻礙了導熱電絕緣體的形成。先進的絕緣材料也應減輕大電壓應力(dV/dt)。傳統的方法是使用較厚的絕緣材料，以適應系統效率所需的較高電壓，但由于熱和重量問題，這種方法不太可能滿足技術指標。因此，高介電常數、低介電損耗和持續高擊穿強度的導熱聚合物絕緣子，對于承受高電壓的高功率密度電子器件是必不可少的。
其中一種非金屬熱導體是單晶金剛石，其導熱系數為2190 W m?1 K?1，這歸因于其通過晶格振動的異常有效的熱傳輸。這表明一種聚合物材料幾乎“沒有”晶體缺陷，其主鏈在宏觀上排列，以實現超高的熱導率。這個概念最早是在1977年由Gibson等人在線性非極性聚乙烯上提出的，它具有重復的-CH2單元且幾乎沒有分支。通過拉伸超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維證實了這一結果，該纖維的導熱系數高達104 W m?1K?1，高于鉑、鐵和鎳等金屬。然而，新型UHMWPE電絕緣體的形成與聚合物結晶度、晶體取向、鏈長及其分子堆積等因素有關。要成為一種能導熱的電絕緣體材料，聚乙烯的難題在于這樣一個對稱的分子真實地與低介電常數共價。
展開 高介電常數填料與結構設計：Comsol電樹枝擊穿現象（源代碼模型分享）
介電擊穿是電氣工程中的關鍵問題，尤其是在高電場環境下。復合材料在抗擊穿性能上的優化仍面臨挑戰。本人為大家提供了一篇文獻和文獻參考源代碼模型，為方便大家學習特將模型源代碼粘貼在文末，祝大家科研順利！源代碼圖片如下：
1.摘要
本研究提出了一種基于相場模型的介電損傷演化方法，通過引入損傷變量區分導電通道與未損傷區域，避免了復雜的微觀細節處理。采用Griffith能量準則描述導電通道傳播，并通過有限元法研究復合材料的抗擊穿性能。結果表明，高介電常數填料及橢圓形或層狀結構能有效抑制導電通道形成，增強抗擊穿能力。弱犧牲性填料引起的兩階段損傷過程也表現出良好的抗擊穿效果，為復合材料設計提供了新思路。
2.引言
介電擊穿是電氣工程中的關鍵問題，尤其是在高電場環境下。復合材料在抗擊穿性能上的優化仍面臨挑戰。本文提出了一種基于相場模型的方法，利用連續損傷變量模擬導電通道的形成與演化，避免了復雜的微觀細節處理。通過引入Griffith能量準則，模型能夠有效評估復合材料的抗擊穿性能。研究探索了不同填料類型（如高介電常數填料、橢圓形或層狀結構填料）對抗擊穿能力的影響，發現這些填料能顯著提高材料的抗擊穿效果。本研究為復合材料的設計與優化提供了新的思路。
3.模型推導：
模型概述：本研究的相場模型通過引入損傷變量來描述導電通道的形成與擴展，模擬了復合材料在電場作用下的介電擊穿過程。模型假設損傷變量與材料的電氣性質（如介電常數）密切相關，損傷變量的演化代表了導電通道的增長。
模型假設：為簡化計算過程，假設材料的電氣擊穿主要由導電通道的形成和擴展主導，忽略了材料微觀缺陷的細節。此外，導電通道的擴展遵循經典的斷裂力學理論，且材料的介電常數隨損傷程度變化。
展開 西安交大《AFM》封面文章：工程化水凝膠可穿戴領域重要進展！
（c）GelMA水凝膠柔性觸覺傳感器照片（d）GelMA水凝膠觸覺傳感器的循環試驗結果
該水凝膠柔性觸覺傳感器采用電容檢測原理，利用GelMA為介電彈性體，通過壓力感知來實現人體生理信號檢測。研究人員提出了一種可完全溶液加工的電容壓力傳感結構，將GelMA作為核心介電彈性體，通過在其兩側設置一層輔助鍵合層（如PDMS層）來控制水分蒸發。通過將輔助鍵合層表面化學處理，并采用紫外光照射的方法來實現其與GelMA之間的化學鍵合，以增強器件結構堅固性、耐用性。采用旋涂、紫外光照、表面化學處理等工藝，開發了一種完全溶液加工的低成本、大面積制備技術。該結構設計策略及制備技術具有普適性，可用于發展其它水凝膠柔性觸覺傳感器。此外，由于GelMA介電彈性體、PEDOT:PSS電極、輔助鍵合和基底層均為透明材料，整個器件具有很好的透光性，對發展隱形可穿戴電子有重要意義。
該研究成果以“Gelatin Methacryloyl-Based Tactile Sensors for Medical Wearables”為題近日在國際知名期刊 Advanced Functional Materials （IF=16.836）上在線發表，并被選為封面文章。西安交通大學機械學院李支康副教授為論文第一作者，西安交通大學機械學院趙立波教授、香港大學張世明助理教授以及加州大學洛杉磯分校Ali Khademhosseini教授為共同通訊作者。此外，西安交通大學機械學院副教授羅國希、生命學院助理教授劉灝、前沿院博士生薛語萌共同參與了此項工作。該研究工作得到國家自然科學基金、中國博士后國際交流計劃派出項目等項目的資助。
文章鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202003601
展開 Materials studio計算介電常數
關鍵詞：Materials Studio，DFT，castep，介電常數
今天介紹一下如何用CASTEP計算靜介電常數（static permittivity）。
導入構型?
首先新建一個project，然后導入SiO2的結構文件。
計算
具體做法：首先雙擊打開SiC_beta，然后點擊Modules | CASTEP | Calculation
選擇幾何優化任務。
優化的時候記得把晶胞設置成P1。
然后點擊Task右邊的More..Quality選擇Fine，然后切換到option選項卡勾選Use delocalized internals
然后回到CASTEP calculation對話框的Electronic選項卡，設置如下：
然后點擊右下角的More，具體參數設置如下：
然后回到CASTEP calculation對話框的Properties選項卡，將System type勾選為Crystal
計算結果：
最后，有相關需求歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯絡。
展開 中科院納米能源所王杰&王中林團隊《JMCA》：基于介電材料選擇和表面電荷工程的抗高濕度摩擦電納米發電機
作為一種革命性的能量收集技術，摩擦電納米發電機（Triboelectric Nanogenerator，簡稱TENG）不僅提供了一種可持續、分布式能源供給技術，而且構建了無需外部電源的自供電系統，具有成本低、質量輕、材料選擇廣、低頻下轉換效率高等優勢。然而，高濕環境中水分子形成的導電通路引起的表面電荷耗散，顯著降低TENG的輸出性能，從而影響其能量收集和長期穩定運行。課題組前期通過電荷快速積累技術(Advanced Energy Materials, 2021, 2100050)及雙電容增強技術(Advanced Energy Materials, 2021, 2101958)，已顯著提升TENG高濕環境下輸出性能。但環境濕度對TENG表面電荷的影響機制尚不清楚。因此，需要一種有效的策略來提高TENG在高濕環境下的輸出性能，并進一步研究高濕環境下表面電荷的衰減機理。
近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所王杰研究員與王中林院士領導的科研團隊提出通過介電材料選擇和表面電荷工程，提出了一種新型抗高濕度TENG。以接觸-分離模式TENG為測量工具，系統地研究了相對濕度對常用介電材料表面電荷衰減的影響。結果表明，介電材料表面剩余電荷量隨介電材料疏水性的增加而增加，高濕環境下更為明顯。此外，表面電荷的衰減與電荷種類有關，濕度條件下離子電荷比電子電荷更穩定。通過耦合高疏水介電材料聚四氟乙烯和離子注入法，TENG在90%相對濕度的極端環境下連續運行50000次，仍保持了高達91%的輸出性能。
展開 超稀疏介電納米線柵偏振器
摘要
超稀疏介質納米線柵具有很強的偏振相關性，可作為寬帶反射體。[J. W. Yoon et al., Opt. Express 23, 28849-28856 (2015)]。利用傅立葉模態方法研究了所選納米線柵的偏振、波長和角相關特性。電場與納米線柵相互作用的可視化被展現出來。
建模任務
結果
?不同結構的反射率vs波長
參考結果 來自 J. W. Yoon et al., Opt. Express 23, 28849-28856 (2015)
VirtualLab中用傅里葉模態法（FMM）仿真
?反射率vs波長&入射角
參考結果來自 J. W. Yoon et al., Opt. Express 23, 28849-28856 (2015)
VirtualLab中用傅里葉模態法（FMM）仿真
?納米線柵中場可視化
參考結果來自J. W. Yoon et al., Opt. Express 23, 28849-28856 (2015)
VirtualLab中用傅里葉模態法仿真（動畫）
展開 
[VirtualLab] 超稀疏介電納米線柵偏振器
摘要
超稀疏介質納米線柵具有很強的偏振相關性，可作為寬帶反射體。[J. W. Yoon et al., Opt. Express 23, 28849-28856 (2015)]。利用傅立葉模態方法研究了所選納米線柵的偏振、波長和角相關特性。電場與納米線柵相互作用的可視化被展現出來。
建模任務
結果
? 不同結構的反射率vs波長
參考結果 來自 J. W. Yoon et al., Opt. Express 23, 28849-28856 (2015)
VirtualLab中用傅里葉模態法（FMM）仿真
? 反射率vs波長&入射角
參考結果來自 J. W. Yoon et al., Opt. Express 23, 28849-28856 (2015)
VirtualLab中用傅里葉模態法（FMM）仿真
? 納米線柵中場可視化
參考結果來自J. W. Yoon et al., Opt. Express 23, 28849-28856 (2015)
VirtualLab中用傅里葉模態法仿真（動畫）
展開 超稀疏介電納米線柵偏振器
摘要
超稀疏介質納米線柵具有很強的偏振相關性，可作為寬帶反射體。[J. W. Yoon et al., Opt. Express 23, 28849-28856 (2015)]。利用傅立葉模態方法研究了所選納米線柵的偏振、波長和角相關特性。電場與納米線柵相互作用的可視化被展現出來。
建模任務
結果
?不同結構的反射率vs波長
參考結果 來自 J. W. Yoon et al., Opt. Express 23, 28849-28856 (2015)
VirtualLab中用傅里葉模態法（FMM）仿真
?反射率vs波長&入射角
參考結果來自 J. W. Yoon et al., Opt. Express 23, 28849-28856 (2015)
VirtualLab中用傅里葉模態法（FMM）仿真
?納米線柵中場可視化
參考結果來自J. W. Yoon et al., Opt. Express 23, 28849-28856 (2015)
VirtualLab中用傅里葉模態法仿真（動畫）
展開 VirtualLab：超稀疏介電納米線柵偏振器
摘要
超稀疏介質納米線柵具有很強的偏振相關性，可作為寬帶反射體。[J. W. Yoon et al., Opt. Express 23, 28849-28856 (2015)]。利用傅立葉模態方法研究了所選納米線柵的偏振、波長和角相關特性。電場與納米線柵相互作用的可視化被展現出來。
建模任務
結果
□ 不同結構的反射率vs波長
參考結果 來自 J. W. Yoon et al., Opt. Express 23, 28849-28856 (2015)
VirtualLab中用傅里葉模態法（FMM）仿真
□ 反射率vs波長&入射角
參考結果來自 J. W. Yoon et al., Opt. Express 23, 28849-28856 (2015)
VirtualLab中用傅里葉模態法（FMM）仿真
□ 納米線柵中場可視化
參考結果來自J. W. Yoon et al., Opt. Express 23, 28849-28856 (2015)
VirtualLab中用傅里葉模態法仿真（動畫）
展開 J-Octa 使用MD和MO/DFT計算相對介電常數
不同分子的相對介電常數計算
目的和方法
介電常數有三個分量：電子極化、離子極化和定向極化。在實驗中，它們的總和被認為是介電常數，但在模擬中進行計算時，應選擇合適的方法并對每種方法分別進行計算。
分子動力學計算 (MD)
MD讓我們可以估測分子因振動和取向產生的極化。相對介電常數可以由各個原子電荷偶極矩之和的時間波動得到，公式如下：
分子軌道法計算（MO）/密度泛函理論（DFT）計算
MO/DFT讓我們可以估測電子極化，由分子極化率計算相對介電常數。
模擬成果
圖2和表1給出了用MO和MD計算苯和丙酮的相對介電常數結果。其中MO估測值由高斯09測定的分子極化率和實驗密度得出，MD估測值由300k和1百帕OPLS力場條件下計算液態體模型得出。在相同的OPLS力場中，丙酮的εMD也顯示為15 [2]。因此J-OCTA的計算是有效的。
由于苯具有極高的對稱性，幾乎沒有永久偶極子，使用MD來估測相對介電常數時因分子振動和取向引起的極化是非常小的。這表明大部分實驗結果是由電子極化得出。而丙酮則相反，僅僅估測電子極化遠遠不夠，同時估測取向極化也非常重要。
圖1 仿真模型（左：苯環 右：丙酮）
圖2 相對介電常數估測值
表1 相對介電常數估測值和偶極矩
相對介電常數 偶極矩
同時MD和QSPR（定量構效關系）也用來計算PVC聚合物的相對介電常數，其結果如表2和3所示。使用MD計算時，我們重復建10次建模過程并設置一個OPLS力場。
展開 