介電材料選擇
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2021-09-16
介電材料選擇的實例教程
作為一種革命性的能量收集技術(shù)，摩擦電納米發(fā)電機（Triboelectric Nanogenerator，簡稱TENG）不僅提供了一種可持續(xù)、分布式能源供給技術(shù)，而且構(gòu)建了無需外部電源的自供電系統(tǒng)，具有成本低、質(zhì)量輕、材料選擇廣、低頻下轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢。然而，高濕環(huán)境中水分子形成的導(dǎo)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(wěn)定運行。課題組前期通過電荷快速積累技術(shù)(Advanced Energy Materials, 2021, 2100050)及雙電容增強技術(shù)(Advanced Energy Materials, 2021, 2101958)，已顯著提升TENG高濕環(huán)境下輸出性能。但環(huán)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(huán)境下的輸出性能，并進一步研究高濕環(huán)境下表面電荷的衰減機理。
近日，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王杰研究員與王中林院士領(lǐng)導(dǎo)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(tǒng)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(jié)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(huán)境下更為明顯。此外，表面電荷的衰減與電荷種類有關(guān)，濕度條件下離子電荷比電子電荷更穩(wěn)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(huán)境下連續(xù)運行50000次，仍保持了高達91%的輸出性能。
展開 因此, 科研工作者一直致力于研究具有耐高溫、低密度、高強度、高韌性等優(yōu)良性能的吸波材料。這使得介電損耗型吸波材料在電磁波吸收領(lǐng)域飛速發(fā)展。
介電損耗性吸波材料有哪些?
介電損耗型吸波材料一般是由高導(dǎo)電性碳質(zhì)納米粒子、介電陶瓷納米粒子和金屬半導(dǎo)體氧化物組成各種混合型納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，復(fù)合后可產(chǎn)生額外的界面相互作用，且氧空位的存在會引起界面極化和缺陷偶極子，從而使材料表現(xiàn)出更大的介電損耗和高效的微波吸收，同時降低了吸波劑的密度。
01碳基吸波材料
碳基吸波材料因其具有表面性能可調(diào)﹑高強度質(zhì)量比、超強耐腐蝕性能、超薄結(jié)構(gòu)特性、超高載流子遷移率(～200000 cm2? v-1? s-1 )、高的導(dǎo)熱系數(shù)(～5300 W?m-1? K-1)等優(yōu)勢, 使其備受國內(nèi)外科研人員的關(guān)注。碳材料通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和構(gòu)造界面層次來提高材料的吸波性能 (例如:碳納米管從單壁到多壁甚至于可垂直排列的陣列) 進而滿足部分設(shè)備需求, 但是材料本身存在一定的缺陷和不足, 以至于應(yīng)用受到限制。
展開 通常的誤差，來自于不準(zhǔn)確的估計介電函數(shù)，其基于單諧振子來解釋光的紫外(UV)區(qū)域的吸收波段。
基于此，研究者提出了一個計算55種材料卡西米爾- vdw力所需的全頻范圍內(nèi)的介電函數(shù)的理論框架，包括各種金屬，半導(dǎo)體和絕緣體，有機和無機等。研究者利用光和規(guī)則和Kramers-Kronig關(guān)系，驗證了編譯數(shù)據(jù)的內(nèi)部一致性。與此同時，研究者證明了基于這些數(shù)據(jù)計算的vdW力與實驗測量的vdW力非常吻合。
圖1 水的介電函數(shù)。
圖2 改進的諧振子模型。
圖3 用改進的諧振子建立半導(dǎo)體和絕緣體介電函數(shù)的電子部分的模型。
圖4 金屬中卡西米爾- vdw力大小的分析。
圖5 Casimir-vdW力的測量與計算比較。
綜上所述，研究者通過對大量不同材料的自洽介電函數(shù)的實驗測量，引入了一種新的經(jīng)驗修正諧振子模型。這種改進的模型可以預(yù)測只有四個輸入的半導(dǎo)體和絕緣體的電子極化：電子介電常數(shù)，光學(xué)帶隙，密度和化學(xué)成分。基于改進模型計算的估計力，與實驗測量的Casimir-vdW力非常吻合。在金屬的例子中，研究者的分析表明，一旦系統(tǒng)中載流子與總電子的比例變小，帶間躍遷對vdW-Casimir力大小的作用就變得至關(guān)重要。（文：水生）
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實用！
展開 介電彈性體由于具有質(zhì)量輕，柔韌性好，高能量密度以及響應(yīng)迅速等優(yōu)良特性，在驅(qū)動器，軟體機器人，電子皮膚，人工肌肉，能量采集等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。常規(guī)驅(qū)動電壓一般 > 1kV，容易使材料發(fā)生介電擊穿，同時材料在使用時不可避免地產(chǎn)生內(nèi)部局部損傷,也會導(dǎo)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(fā)進行自我修復(fù)，從而延長電容器使用壽命。
英國華威大學(xué) (University of Warwick)的Chaoying Wan 課題組 (通訊作者)及其博士生Chris Ellingford聯(lián)合英國巴斯大學(xué)(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(xué)與機械(圖１)自愈合能力以及驅(qū)動性能，研究成果近期發(fā)表在Advanced Functional Material上。
圖１MGSBS的力學(xué)損傷及其修復(fù)過程。
自愈后的材料在“傷口”界面處有一定的雜質(zhì)或空氣，當(dāng)對材料施加電壓時，電場會在這些低介電常數(shù)的區(qū)域集中，使得愈合后的材料在發(fā)生介電擊穿時依然在這些“傷口”區(qū)域，如圖2的模擬結(jié)果所示。將材料在33 %進行預(yù)拉伸制成介電驅(qū)動器，其驅(qū)動性能結(jié)果顯示經(jīng)介電擊穿后并自我修復(fù)完的材料有67 %的恢復(fù)水平，經(jīng)力學(xué)損傷后并自我修復(fù)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(qū)動器及其自愈合能力
研究報告發(fā)表于《先進功能材料》雜志。
展開 目前尚不清楚哪種材料最終會形成理想的人造肌肉。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(xiàn)人造肌肉目標(biāo)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(lǐng)域中，最主要的研究方向是介電彈性體（DEs），它們應(yīng)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(xiàn)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(xué)洛杉磯分校的裴啟兵教授（通訊作者）在Acc. Chem. Res.上發(fā)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(guān)領(lǐng)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(wěn)態(tài)電活性聚合物，對于軟驅(qū)動器技術(shù)通常無法實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)應(yīng)用的開放式DEA，探索了與高度柔順和透明電極相關(guān)的科技進步。最后，文章介紹了應(yīng)用前景及當(dāng)前DEA技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，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(dǎo)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(dāng)施加電壓時，發(fā)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(qū)動性能。
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介電材料選擇的最新內(nèi)容
2021年12月23日，清華大學(xué)電機系先進能源電工材料與器件實驗室（AEEMD）黨智敏教授團隊在國際頂級期刊Chemical Reviews（影響因子60.622）發(fā)表題為Recent Progress and Future Prospects on All-Organic Polymer Dielectrics for
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吸波材料研發(fā)意義
Casimir-van der Waals (vdW)力的理論計算研究的特點是，對許多已知材料，包括水，有大量不一致的結(jié)果和相互矛盾的報告，與實驗測量結(jié)果相矛盾。盡管它對基本方面和實際應(yīng)用方面的概念進步很重要，但缺乏準(zhǔn)確確定Casimir-vdW力的通用框架。 在此，來自英國曼徹斯特大學(xué)的Mohsen MoazzamiGudarz&伊朗凝聚態(tài)國家實驗室的Seyed Hamed Aboutalebi
隨著微電子工業(yè)的發(fā)展，集成電路的尺寸不斷縮小、布線密度不斷增加，隨之產(chǎn)生的阻容延遲、串?dāng)_噪聲和能量損耗已成為制約其發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸問題，這對集成電路內(nèi)互連隔離電介質(zhì)材料的介電常數(shù)（k）提出了更高的要求。國際元件及系統(tǒng)技術(shù)藍圖指出，在2028年之前亟需發(fā)展k值小于2的超低介電常數(shù)材料。現(xiàn)有的低k材料，如二氧化硅衍生物、有機高分子材料以及多孔材料等通常
介電彈性體由于具有質(zhì)量輕，柔韌性好，高能量密度以及響應(yīng)迅速等優(yōu)良特性，在驅(qū)動器，軟體機器人，電子皮膚，人工肌肉，能量采集等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。常規(guī)驅(qū)動電壓一般 > 1kV，容易使材料發(fā)生介電擊穿，同時材料在使用時不可避免地產(chǎn)生內(nèi)部局部損傷,也會導(dǎo)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(fā)進行自我修復(fù)，從而延長電容器使用壽命。
英國華威大學(xué) (University
【引言】
創(chuàng)造人造肌肉一直是科學(xué)和工程學(xué)的重大挑戰(zhàn)之一。靈活、通用且高效的致動器的發(fā)明打開了制作新一代輕質(zhì)、高效和多功能機器人的大門。當(dāng)前人造肌肉技術(shù)可以實現(xiàn)低功率移動執(zhí)行器，模擬高效和自然運動形式的機器人、自動機器人和傳感器以及輕量級可穿戴技術(shù)。而且它們在生物醫(yī)學(xué)設(shè)備中也有很多應(yīng)用，柔韌性以及生物相容性都是是非常重要的。目前尚不清楚哪種材料最終會形成理想的人造肌肉
