Advanced Functional Materials:兼具高介电常数和高光学透明性的复合介电弹性体

介电弹性体是一种新兴的电活性智能材料,其可将电学信号输入转化为机械能输出,也可将力学输入转化为电能输出,广泛应用于下一代驱动、显示、能量收集等研究领域中。决定介电弹性体性能的重要参数之一是相对介电常数,其值越高,弹性体的驱动电压就越低,即可通过消耗更低的能量实现电能与机械能的相互转化。常用介电弹性体的相对介电常数通常较低,极大地限制了其应用范围。为了提高介电常数,最常用的方法是在弹性体基体中加入高介电常数的硬质材料,如陶瓷填料、碳系填料等。然而此类复合材料通常伴随有高弹性模量、低稳定性、不透明等缺点。即使是填充液态金属类的流体材料,仍无法克服低透光性的缺点,使其无法应用于光学相关领域。

近日,香港中文大学(深圳)理工学院朱世平和张祺团队提出液态电解质填充的新策略,成功制备出一系列兼具高介电常数和高透明度的复合介电弹性体。可选用的液态电解质种类丰富,包括离子液体、无机盐溶液、有机溶液等,将其与弹性体基体前驱液混合搅拌可形成均匀乳液,热固化后即可得到新型弹性体复合材料。

材料的交流介电频谱表明在40%体积比填充量时,不同的液态电解质均有效地提高了复合弹性体的介电常数。其中,离子液体填充的透明样品的介电常数约为原始弹性体的6倍,且在60摄氏度至零下20摄氏度的宽温度范围内均表现出稳定的高介电常数和低介电损耗。复合材料的弹性模量随着液体填充量的增加而下降,由原始基体的1.24 MPa下降至0.44 MPa (40%体积比填充量),且在不同应变量的重复循环测试中展现出较小的滞回。通过调节液态电解质的折光指数,可以实现复合材料的可见光区透明性在90%以上,平均雾度在6%以下。对材料进行1000的循环拉伸测试后,其介电性能、力学性能和光学性能均无明显下降,表明了材料具有良好的稳定性。

研究人员进一步利用复合介电弹性体的高介电常数、低弹性模量和高光学透明性等特性,分别制作了高灵敏度的应变传感器和低驱动电压的电致发光器件。其中电容式应变传感器灵敏度大幅提升了约5倍,在数百次的循环测试中性能没有明显下降;而电致发光器件的驱动电压更是从普通的3~4V/μm降低至1V/μm以下,且在相同的外加电压下展示出更高的发光强度。

该研究提供了一种制备高性能介电弹性体的新策略,并为拓宽介电弹性体材料的相关应用研究提供了新思路。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202007863)上。