電活性聚合物5.7

1、摘 要電活性聚合物與其他聚合物不同，具有特殊的機械性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)，是一種新型智能材料。目前，電活性聚合物在多個方面都有了快速的提升，如設(shè)計材料、合成產(chǎn)物等。本文從多種電活性聚合物材料的研究現(xiàn)狀出發(fā)展開。電活性聚合物可以分成離子型聚合物以及電子型聚合物。離子型聚合物（EAP）主要由碳納米管、導(dǎo)電聚合物、電致流變液體、離子聚合物凝膠以及離子聚合物符復(fù)合材料組成的。離子型EAP材料的不足之處是必須要有潤濕度，并且在電流下不能保持穩(wěn)定的移動；電子型EAP由介電 EAP、電致伸縮接枝彈性體、電致伸縮紙張、鐵電體聚合物和液晶彈性體（LCE）等組成。在電流刺激下，電子型EAP產(chǎn)生多種效應(yīng)，如鐵電效應(yīng)等，并且

2、電子型EAP離子型EAP剛好相反，在電流刺激下能夠發(fā)生位置移動。不管是哪種EAP材料，都會有非常大的彎曲響應(yīng)。本文還介紹了電活性聚合物的發(fā)電原理和力學(xué)性能以及在各個領(lǐng)域上的應(yīng)用等前沿科技。關(guān)鍵詞：電活性聚合物 電致伸縮 離子型 電子型AbstractUnlike other polymers, electroactive polymers have special mechanical properties and electrical properties. They are a new kind of intelligent materials. At present, electroac

3、tive polymers have been rapidly improved in many aspects, such as design materials and synthetic products. This paper starts from the research status of various electroactive polymer materials. Electroactive polymers can be divided into ionic polymers and electronic polymers. The ionic polymer (EAP)

4、 is composed of carbon nanotubes, conductive polymers, electrorheological fluids, ionic polymer gels, and ionic polymer composites. The deficiency of the ionic EAP material is that it has to be moistening, and it can't keep moving steadily in the current. Electronic EAP is composed of dielectric

5、 EAP, electrostrictive graft elastomer, electrostrictive paper, ferroelectric polymer and liquid crystal elastomer (LCE). Under current stimulation, electronic EAP produces a variety of effects, such as ferroelectric effect, and the electronic EAP ionic EAP happens to be the opposite, and can move i

6、n position under current stimulation. Whatever the EAP material, there is a very large bending response. This paper also introduces the generation principle and mechanical properties of electroactive polymer and its application in various fields.Keywords：Electroactive polymers Electrostriction Ionic

7、 electricalIII目 錄摘要Abstract1 引言11.1 本課題設(shè)計的目的及意義11.2 電活性聚合物國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r12 EAP材料分類22.1 電子型EAP22.1.1 電致伸縮接枝彈性體(ESGE)22.1.2 電致伸縮薄膜(ESP)22.1.3 電致粘彈性聚合物(EVEM)32.1.4 鐵電聚合物(FEP)32.1.5 全有機復(fù)合材料(AOC)42.1.6 液晶彈性體(LCE)42.2 離子型EAP材料52.2.1 碳納米管52.2.2 電致流變液體(ERF)52.2.3 導(dǎo)電聚合物(CP)62.2.4 離子聚合物凝膠(IPG)62.2.5 離子聚合物/金屬復(fù)合材料（IP

8、MC）73 電活性聚合物的發(fā)電原理及其力學(xué)性能83.1 電活性聚合物的發(fā)電原理83.2 電活性聚合物的力學(xué)性能94 電活性聚合物在各領(lǐng)域的應(yīng)用114.1.1 DE和IPMC在無閥微泵上的應(yīng)用研究114.1.2 IPMC在微鏡頭調(diào)焦系統(tǒng)中的應(yīng)用研究124.1.3 EAP材料在微創(chuàng)手術(shù)臂上的應(yīng)用探討124.3.1 對藥物的釋放速率進行控制144.3.2 組織工程145 前景與展望166 結(jié)論17致 謝18參考文獻191 引言1.1 本課題設(shè)計的目的及意義和普通的壓電材料不同，電活性聚合物材料有更大的抵抗能力，并且質(zhì)量不大、驅(qū)動性能好、防震效果優(yōu)良，是一種新型的、智能的仿生材料。利用電活性材料去收集

9、風(fēng)能、太陽能能其他綠色能源，發(fā)展最新的可再生能源具有無污染、成本低等其他優(yōu)點，能夠促進全世界能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。1.2 電活性聚合物國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r1880年，人們第一次發(fā)現(xiàn)了機電響應(yīng)現(xiàn)象。19世紀(jì)初，科學(xué)把將場致應(yīng)變原理分析歸納，以公式的形式表現(xiàn)出來。1920年前后，人們第一次發(fā)現(xiàn)了一種特殊的聚合物并起名為壓電聚合物,其發(fā)現(xiàn)是電活性聚合物研究和發(fā)展的重要一步。1948年,科學(xué)家再一次發(fā)現(xiàn)了一種可以在膠原質(zhì)絲中浸泡時,可以進行伸縮的一種材料，后被人起名為化學(xué)活性聚合物。不過,對于很少有人能夠?qū)⒉牧系幕瘜W(xué)性能和和機械性質(zhì)放在一起考慮,直到一種新型的仿生肌肉材料被發(fā)明出來。在電流刺激的科技發(fā)展下,

10、人們開始不斷的關(guān)注EAP材料的研究和發(fā)展。20世紀(jì)60年代末，人們通過實驗發(fā)現(xiàn)PVDF有壓電能力后，研究人員慢慢的對其它聚合物材料進行研究,所以，不同種類的EAP材料被研發(fā)出來。最近幾年,EAP材料的發(fā)展已經(jīng)有了一個質(zhì)的飛躍，研究人員研發(fā)出了具有特殊性質(zhì)的EAP材料，這對后人開發(fā)新型電活性聚合物給與了非常大的參價值。2 EAP材料分類2.1 電子型EAP2.1.1 電致伸縮接枝彈性體(ESGE)電致伸縮枝彈性體的組成部分是由柔性主鏈和支鏈兩個基本單元所組成的,支鏈可以和與其相連的主鏈部分形成一種特殊的晶體單元，主鏈和支鏈內(nèi)都有電荷，并且這種電荷由帶極性的一種單體組合而成的, 主鏈和支鏈都能夠生

11、成偶極矩，并且能夠發(fā)生誘導(dǎo)極化現(xiàn)象。在電流的刺激下,偶極子會發(fā)生極距偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象導(dǎo)致支鏈的極化基本部分發(fā)生轉(zhuǎn)動,主鏈的局部會發(fā)生變形,ESGE于其他的電子型聚合物相比較而言，其硬度性能更好。所以材料具有更廣闊的發(fā)展前景。 林桂娟,張欣波,王克勝.電活性聚合物能量轉(zhuǎn)換機理及實驗研究J.上海交通大學(xué)學(xué)報,2016,50(06):831-836.2.1.2 電致伸縮薄膜(ESP)電致伸縮薄膜由很多的散落單元拼成的一種聚合物,這種聚合物具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其材料一般都有纖維材料的性能。其驅(qū)動器重量較輕,制作流程簡潔, 能夠用在吸音器、柔性揚聲器和“智能”形狀控制設(shè)備等?，F(xiàn)階段，國外學(xué)者研發(fā)出了一種新型的電活性

12、薄膜。這種電活性薄膜兩端的材料是銀膜制成,在電流的作用下，薄膜會發(fā)生變形和位置移動。其位置移動的量的影響因素有頻率、粘合劑、電壓、基體等有關(guān)。圖1電活性薄膜示意圖2.1.3 電致粘彈性聚合物(EVEM)電致制彈性合物的組成成分有兩種，包括硅橡膠和極化相。聚合物在沒有進行硫化混合以前,這種聚合物形態(tài)和一種電致粘彈液體一般。在通過電流以后，聚合材料發(fā)生形態(tài)轉(zhuǎn)變，由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài),極化相在彈性體體系內(nèi)會發(fā)生有規(guī)律的定向運動。所以，這種聚合材料的形態(tài)為“固態(tài)”+“液態(tài)”兩種情況,并且剪切模量是根據(jù)電場強度的改變而變化,因此能夠代替電致流變的液體，當(dāng)成一種阻尼材料，而且還能夠用于制做全自動化機器人的手臂，

13、國外研究學(xué)者等研發(fā)出了一種新型材料，這種材料能夠承受一定重量，也能夠當(dāng)成粘彈性聚合物加以利用。 王成敏,任九生.電活性聚合物圓柱殼的動力學(xué)特性分析J.上海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,22(04):486-496.2.1.4 鐵電聚合物(FEP)壓電現(xiàn)象通常存在于一種特殊的晶體中，也就是在鐵電體中發(fā)生的一種特殊效應(yīng)。在電流的作用下，壓電材料通常會發(fā)生形狀改變,不同的是，壓電材料在外力的作用下，就會有電壓的生成。壓電材料能夠用于氣體和液體中，并且可用的環(huán)境也比較寬泛。最常見的鐵電聚合物是聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物。因為鐵電聚合物具有非常優(yōu)異的彈性和韌性，所以可以將鐵電聚合物制造成面積較

14、大的薄膜。其應(yīng)用的領(lǐng)域可以在超聲傳感器和醫(yī)學(xué)傳感器以及熱釋電和光學(xué)器件中，研究這種材料具有非常重要的意義。目前，已經(jīng)在醫(yī)用超聲傳感器和機器人探測器等領(lǐng)域中已經(jīng)得到了應(yīng)用。 李軼超.活性聚合物及其性能評價J.化工設(shè)計通訊,2016,42(06):34.研究人員近期研發(fā)出了一種新型鐵電聚合物，由改性聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物制成。在一定的電流通過時，這種新型的鐵電聚合物的形變可以在百分之7左右，彈性能密度能夠達到1焦耳每立方厘米。鐵電聚合物的改變性質(zhì)方法主要有2個，第一是三元共聚物體系，第二是制成高能電子輻射共聚物。性質(zhì)改變后，在電流作用時，聚合物的轉(zhuǎn)化溫度范圍也會因此而改變，避免了在極性變化過程

15、中成核現(xiàn)象的出現(xiàn)，并且轉(zhuǎn)化溫度也變成了25攝氏度左右。所以，制造出了溫度范圍比較大的電致變形。和高能電子輻射法相比，共聚法的優(yōu)點是：無需輻射、制造過程簡單、花費低，得到的產(chǎn)物具有更好的性能，因此三元共聚法同樣也有一定的應(yīng)用價值。2.1.5 全有機復(fù)合材料(AOC) 全有機復(fù)合材料的制備原理簡單，將一種有機填料送入到一種電致伸縮聚合物內(nèi), 同時要保證這種有機填料要具有高介電常數(shù)。全有機復(fù)合材料在保證基體性質(zhì)前提下，同時也要具有比較高的介電能力。這種新型有機復(fù)合材料通過比較低的電流時，能夠達到很高的變量,只有這樣，才能大幅度地提升了全有機材料的介電性能, 也可以高效的提高了材料的“有效”擊穿能力。

16、 林桂娟,宋德朝,陳明,王克勝.電活性聚合物的力學(xué)性能及發(fā)電應(yīng)用J.同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,39(06):908-913.有專家指出，將CuPc與P(VDF-TrFE)結(jié)合,在較低電場刺激下材料的形態(tài)變化能夠在原來的百分之2左右波動,而且介電常數(shù)如果能夠超過400。CuPc 制備而成的分子級固體就是一種有機的材料,這種材料具有絕緣體的性質(zhì)，介電常數(shù)最高可以超過120 。全有機材料的介電常數(shù)特別高的原因是絕緣表面隔離了絕大多數(shù)的電流而造成的, 這種接近于半導(dǎo)體的材料和絕緣表面可以組成的內(nèi)部穩(wěn)定的電容器效應(yīng)。分子內(nèi)有鍵，鍵就會在共軛體系中發(fā)生位移。造成電量過大的反應(yīng)。并且，分子之間的

17、吸引力，尤其是比較弱的范德華力在分子表面彈性會明顯小于聚合物的常數(shù)。此外,CuPc 固體不易加工,經(jīng)常性的電子極化會造成非常高的介電能損失。因為聚合物不但能夠制成一種絕緣層,還可以減少在加料的過程中的不必要的損失。所以, 這種材料不僅僅具有聚合物的彈性性能,還能維持基體性能。在應(yīng)用方面，這種電活性復(fù)合材料不僅能夠用于一種新型的人工肌肉的研究,而且還能夠用在藥物膠囊材料的制備。經(jīng)過一系列的改進有機復(fù)合材料的制備方法和技術(shù)，能夠讓這新型的有機材料的應(yīng)用的范圍變得更大。 陳潔,李玉麒,鄭國華.介電型電活性聚合物應(yīng)變響應(yīng)的優(yōu)化J.華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2015,43(10):123-127.

18、2.1.6 液晶彈性體(LCE)液晶彈性體是一種新型的電活性聚合物材料,其結(jié)構(gòu)呈網(wǎng)狀。液晶彈性體可以利用焦耳的熱量就會有電活性的產(chǎn)生。LCE的性能與其他的電活性聚合物相比，性能較好。這種液晶聚合物體系具有相當(dāng)好的性能, 例如, 其彈性可以通過液晶聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和小分子液晶結(jié)構(gòu)來控制。Zhang等 27 開發(fā)了一種向列相液晶溶膠體系, 通過場致液晶單元重排達到機電響應(yīng)。在25MV /m 電場下, 這種材料的場致應(yīng)變達到2 %, 激勵方向上的彈性模量為100MPa 。因其具有生物相容性, 因此可以用來制備人工肌肉和微機電設(shè)備等。Thomsen 等 28 制備了一種熱致液晶彈性體彎曲驅(qū)動器。這種設(shè)備

19、具有多層材料結(jié)構(gòu), 因設(shè)備的結(jié)構(gòu)限制了液晶彈性體的位移, 所以這種驅(qū)動器的位移量要比純液晶彈性體薄膜小。但是, 設(shè)備可以在低功率(< 2W)下工作, 而且可以反復(fù)使用多達1000 次。2.2 離子型EAP材料2.2.1 碳納米管碳納米管直徑段小、質(zhì)量小、硬度高、具有很好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能。所以，制備成納米聚合材料是人們長期以來所期盼的。目前階段，人們已經(jīng)制備了一種高性能的化學(xué)驅(qū)動器，在電流的作用下可以發(fā)生百分之一的形態(tài)改變。swnt在電解液的表面會產(chǎn)生兩個表面電層，隨著電荷進入體系，會發(fā)生驅(qū)動性能。碳納米管的形態(tài)改變由量子化學(xué)和電致伸縮兩種原因造成的，這兩種情況使碳納米管發(fā)生形態(tài)改變。使用兩

20、種不同的方法制成碳納米管。碳納米管分成兩類：單層碳納米管和多層碳納米管2.2.2 電致流變液體(ERF)ERF是一種比較低的介電液體，其中有電子極化現(xiàn)象的存在。在電場的作用下，能夠使離子兩端發(fā)生極性偏轉(zhuǎn)。與此同時，在反應(yīng)體系內(nèi)會發(fā)生原纖化反應(yīng)。電致流變液體的優(yōu)點是在極化過程中需要很少的能量并且響應(yīng)及時，同時發(fā)生極化后具有穩(wěn)定的性質(zhì)。所以經(jīng)常被應(yīng)用于控制系統(tǒng)中，目前，ERF已經(jīng)成功的在一些控制系統(tǒng)中得以應(yīng)用。如光子晶體、宇宙飛船減震器等。最近研究人員使用特殊的方法獲得了PNMA和MMT的復(fù)合材料。這種材料的電致流變液體經(jīng)過一定的電壓處理后，剪切力高達5.9千帕左右，遠遠高于電致流變液體在非電場中

21、作用的強度，而且也超過了純MMT和純PNMA在電場中作用的強度。在一定頻率下，ERF的介電常數(shù)分別是蒙脫土的3倍以及N-甲基苯胺的5倍左右。由此可見，通過電致流變作用可以增加這種電活性聚合物材料的介電能力。 朱銀龍,習(xí)爽,蘇曉芳,劉英,王化明.介電型電活性聚合物的發(fā)電特性研究J.機械強度,2017,39(06):1353-1359.2.2.3 導(dǎo)電聚合物(CP)導(dǎo)電聚合材料與之前所提到的電活性聚合物材料都有所不同，是一種具有強導(dǎo)電性能的高分子材料。比較普遍的導(dǎo)電聚合物，如圖，一般來說導(dǎo)電聚合物分子內(nèi)是有一個共軛效應(yīng)，能夠發(fā)生氧化還原反應(yīng)的平衡反應(yīng)。在反應(yīng)過程中，有關(guān)反應(yīng)的滲透性、疏水性等能力都

22、可以變化，所以ERF能夠當(dāng)成晶體管和其他材料的原件等。導(dǎo)電聚合物不光能夠進行原件的制作，還可以用在生物有關(guān)的系統(tǒng)上，這種導(dǎo)電性和生物非排斥性的能力的統(tǒng)一體，在實際應(yīng)用中具有非常好的效果。 王成敏,任九生.電活性聚合物球殼的力電不穩(wěn)定性J.固體力學(xué)學(xué)報,2015,36(01):1-7.圖2 導(dǎo)電聚合物一般而言，ppy驅(qū)動器在使用過程中需要一定的電解溶液，這就極大的阻礙了這種驅(qū)動器在發(fā)展中的應(yīng)用。研究者發(fā)現(xiàn)在PAN纖維加入一些導(dǎo)電介質(zhì)能夠大幅度的提升電導(dǎo)率。在電池水解時，聚丙烯具有電活性聚合物的性質(zhì)，酸度的改變能夠使導(dǎo)電聚合物的性質(zhì)發(fā)生變化。 李曉鋒,梁松苗,李艷芳,王永鑫,徐堅.仿生材料電活性聚

23、合物“人工肌肉”的研究進展J.高分子通報,2008(08):134-145.2.2.4 離子聚合物凝膠(IPG)通過凝膠法制備成離子聚合物，在PH值小于7時能夠發(fā)生化學(xué)變化，離子聚合物凝膠可以發(fā)生電活性伸縮反應(yīng)。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，離子聚合物的伸縮響應(yīng)時間可以達到0.4h，但是伸縮響應(yīng)只能進行幾次而已，超過一定的次數(shù)便失效。所以，研究長期有效的離子聚合物驅(qū)動器變成一個困難的問題。目前已經(jīng)有人發(fā)明了一種發(fā)動機，其驅(qū)動力就是由離子聚合物獲得的。他們利用帶有溶劑的離子聚合物放在水中，有機溶劑能夠馬上生成活性。一直源源不斷的向溶液中添加凝膠，就能夠讓驅(qū)動器一直運行下去。這種化學(xué)驅(qū)動器在環(huán)保節(jié)能的化學(xué)領(lǐng)域中具有

24、非常大的前景。 危巖,李保松,付長奎,齊宏旭.電活性導(dǎo)電聚合物在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用J.高分子學(xué)報,2010(12):1399-1405.2.2.5 離子聚合物/金屬復(fù)合材料（IPMC）離子和金屬組成的新型智能材料，這種新型的智能材料是一種高分子的聚合物，同時也具有一定的活性。這種聚合物是由離子材料所組成的，通過這樣的方法來區(qū)分離子電荷的不同。離子聚合物金屬復(fù)合材料的柔軟度比較好，質(zhì)量小，不需要太大的電壓，就能夠發(fā)生形狀改變，不僅能夠在干燥的環(huán)境中發(fā)揮用處，而起還能夠用于空氣水分大的環(huán)境中，最大的特點是能夠和生物體不發(fā)生排斥性反應(yīng)，因此可以制備一些生物材料。最近幾年，科學(xué)家研制出了一種新型的復(fù)合材

25、料，這種材料具有和一般聚合物不同的特點，除了能夠和生物不發(fā)生排斥性反應(yīng)以外，還能夠制備成一種尺寸非常小的材料。研究表明，能夠利用增加薄膜的厚度的辦法來增加驅(qū)動力。 崔磊磊,栗麗,肖保輝.電活性聚合物薄膜大變形的力學(xué)響應(yīng)分析J.價值工程,2014,33(14):303-304.3 電活性聚合物的發(fā)電原理及其力學(xué)性能3.1 電活性聚合物的發(fā)電原理由于電活性的聚合物質(zhì)的形變反應(yīng)能夠在平板型的電腦上進行，而這一反應(yīng)變化又會引起電容的具體數(shù)據(jù)發(fā)生相應(yīng)的改變，所以我們可以推出可變式電容器可以由能夠在雙面形成柔性電極的聚集態(tài)電活性物質(zhì)組成。 姜經(jīng)帥. 單分散“活性”聚合物微球的制備及其在分子印跡技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)

26、用D.南開大學(xué),2014.圖3呈現(xiàn)了相關(guān)系列反應(yīng)，可以從中看出，聚集態(tài)電活性物質(zhì)有狀態(tài)U變成狀態(tài)1的時候經(jīng)歷了三向預(yù)拉伸；而在狀態(tài)1發(fā)展至狀態(tài)之時其中單經(jīng)歷了雙向預(yù)拉伸，具體變相為方向二的拉伸造成了壓縮效果，因此增加了電活性聚合物的彈性勢能；狀態(tài)2至狀態(tài)3在刺激電荷時需要使用高壓靜電場進行，這是和傳統(tǒng)的壓電陶瓷發(fā)電完全不同的模式；此時聚合物在方向二上是收縮狀態(tài)，并在二積八向延伸，在聚合物中的受力均衡后停止延伸運動(其中的作用力分別是彈性/麥克斯韋應(yīng)力）；狀態(tài)3到4的轉(zhuǎn)化是機械能變?yōu)殡娔?，在外力停止作功時，聚合物方向的變化是壓縮，彈性能向電能過度，以微觀視角解釋上述變化，則可以說是聚合物立維體積

27、的變化影響了兩極電荷的相對位置關(guān)系，即正負(fù)電荷的遠近和聚合物的薄厚呈現(xiàn)正相關(guān)變化關(guān)系，在此基礎(chǔ)上由于聚合物厚度的減小引起同級電荷間距減少，從而提高兩極電壓和儲能。由公式11推導(dǎo)電能的產(chǎn)出量：式中:C,U表示的是電容/電壓的數(shù)值，該公式用于求取狀態(tài)3到4時電能及相關(guān)變化量設(shè)該變化進行時，兩段連接的電壓保持恒定，可以再推出應(yīng)力數(shù)值（垂直軸2）式中：分別是薄膜重量和重力加速度。設(shè)僅呈現(xiàn)兩軸上的延展運動，那么分析模型得出相應(yīng)軸1方向二的運動方程如下：上式呈現(xiàn)三軸原長，見圖3，變量一是方向軸變量，變量二是狀態(tài)，在這種模式下設(shè)在二方向施加恒定電壓的電場，能夠藉由上式得出這個設(shè)備在狀態(tài)轉(zhuǎn)化過程的電能增加量。

28、圖3電導(dǎo)聚合物的發(fā)電原理分析3.2 電活性聚合物的力學(xué)性能由于電活性聚合物是超彈性材料，基于此對電活性聚合物進行力學(xué)性能的建模。從連續(xù)介質(zhì)物理理論角度做出假設(shè)如下：（1）超彈性假設(shè).設(shè)材料存在單位質(zhì)量上的變量函數(shù)W，表示沒有外界受力狀態(tài)下的應(yīng)變張量的表達式，設(shè)應(yīng)力功率和W的時間變率數(shù)值一致，此時材料是超彈性材料，W表示超彈材質(zhì)的機械性能，函數(shù)W的表達式多種多樣，為表示本文研究的電活性聚合物，選用Mooney - Rivlin模型進行具體分析。（2）各向同性假設(shè)，假設(shè)材料各向且同性。(3)可壓縮性為0假設(shè)，即材料在進行形變后其絕對體積不發(fā)生改變。在已有模型中進行綜合分析篩選，根據(jù)實用性及簡便性，

29、選擇能對多種函數(shù)進行處理的 Mooney - Rivlin模型。假設(shè)主應(yīng)變常量的一次項函數(shù)是應(yīng)變能的密度，能夠較為準(zhǔn)確表明橡膠類超彈材質(zhì)無物理力學(xué)特征，本文研究的電活性聚合物質(zhì)形變量控制在35%以內(nèi)，因此Mooney - Rivlin模型能夠勝任分析工作。應(yīng)變能函數(shù)與應(yīng)變張量函數(shù)相關(guān)，表達式為:W = (I1,I2,I3).在實際中應(yīng)用最普遍的是廣義的Mooney - Rivlin應(yīng)變能函數(shù)的表達式:式中:Cij 是材質(zhì)相關(guān)系數(shù);I1,I2,I3是右Canchy - Ureen應(yīng)變張量的第1、第2、第3應(yīng)變不變量.如果主伸長的比值用代替，同時壓縮性為零的超彈性材料(I3= 1)，那么:Rivl

30、in和Saundersa經(jīng)實驗得出aW/ar近似常數(shù)，而a W/arz與1成反比，因此提出Mooney - Rivlin模型的應(yīng)變能函數(shù)W的一般式:式中，材料參數(shù)=C。/C。，由超彈性理論可得，主變形率表達式為:式中，P為Lagrange乘子，又稱靜水壓，由動力學(xué)邊界條件界定。 4 電活性聚合物在各領(lǐng)域的應(yīng)用4.1 EAP驅(qū)動器的實際應(yīng)用研究在微型泵中使用DE/IPMC材質(zhì)做泵膜，在手機攝像頭的驅(qū)動器中使用IPMC材質(zhì)等方面的研究已經(jīng)有所進展，最新研究方向針對微創(chuàng)手術(shù)操作臂的電活性材質(zhì)植入使用，具體見圖4：圖4 EAP材料的實際應(yīng)用4.1.1 DE和IPMC在無閥微泵上的應(yīng)用研究針對無閥微泵主

31、要材料選用環(huán)氧樹脂與聚二甲基硅氧烷，選用DE/IPMC材料分別實驗，圖4為自制備的無閥微泵試件，實驗數(shù)據(jù)見表一。這種材質(zhì)制作的微泵生物排異性低。 黨智敏. 電活性聚合物研究國際前沿:參加歐洲EAP-2013會議總結(jié)A. 中國儀表功能材料學(xué)會、重慶材料研究院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、功能材料期刊社.第八屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議摘要C.中國儀表功能材料學(xué)會、重慶材料研究院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、功能材料期刊社:,2013:1.表一 ：DE和IPMC無閥微泵實驗數(shù)據(jù)泵膜材料施加電壓頻率流量DE3.1 kV5 HzIPMC3 V2 Hz4.1.2 IPMC在微鏡頭調(diào)焦系統(tǒng)中的應(yīng)用研究將調(diào)焦驅(qū)動器的主體原料換做

32、IPMC可以解決現(xiàn)有調(diào)焦元件的能耗大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制回路繁瑣問題。實驗中采用IPMC制作的瓣形致動器驅(qū)動效果良好。數(shù)據(jù)見下表二：表二：瓣形驅(qū)動器不同電壓下的位移情況電壓最大位移2 V0.54 mm3 V1.30 mm4.1.3 EAP材料在微創(chuàng)手術(shù)臂上的應(yīng)用探討EAP材料生物排異性低，可以用于生產(chǎn)臨床用仿生材料和醫(yī)療器械。現(xiàn)在已經(jīng)有科研人員著手EAP材料微創(chuàng)手術(shù)臂的研發(fā)。具體模型參考圖4。在這項研究里，將重點攻關(guān)功能材料的驅(qū)動與固定方面的技術(shù)難點，開創(chuàng)微創(chuàng)手術(shù)新材質(zhì)操作臂機械構(gòu)件柔性驅(qū)動的研究新領(lǐng)域。 林桂娟,張欣波.電活性聚合物發(fā)電實驗J.廈門學(xué)報,2013,21(03):45-49.4.2

33、 偏氟乙烯基系列電活聚合物    偏氟乙烯系列的聚合物質(zhì)的特征是有著超出一般材料的電導(dǎo)活性特質(zhì)。對于電導(dǎo)致的形變反應(yīng)非常敏感，目前廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)和領(lǐng)域內(nèi)，成為新興的寵兒。在生物醫(yī)療，重工軍事，電子通訊等熱門行業(yè)被大量使用。由于該系列的強電導(dǎo)活性高分子聚合材料的使用覆蓋領(lǐng)域過于廣泛，無法全部都展示出來，因此特地選擇其中的代表性應(yīng)用例子來作主要闡述。 黨智敏,王嵐.智能材料:電活性聚合物的研究J.功能料,2005(07):13-19.4.2.1 電活聚合物在水聲傳感設(shè)備與換能設(shè)備上的應(yīng)用在水聲換能設(shè)備中加入高分子電導(dǎo)聚合物質(zhì)首先是在軍

34、事領(lǐng)域進行試水性的研究和開發(fā)的，具體有水下偵查系統(tǒng)和感應(yīng)探測系統(tǒng)等電子機械設(shè)備的研發(fā)。緊接著隨著技術(shù)的進步完善以及科技的不斷發(fā)展，又被應(yīng)用在地外科研領(lǐng)域以及地內(nèi)科研領(lǐng)域，多是研發(fā)探查裝置。由于潛艇設(shè)備的生產(chǎn)技術(shù)以及工藝的提升，傳統(tǒng)聲吶的偵查能力已經(jīng)遠遠不能滿足現(xiàn)代軍事的要求，因此主動偵查型聲吶成為新的必要軍事訴求。而由實驗得出高能輻照處理過高分子材料對聲音的物抗能達到和水同步數(shù)據(jù)的情況。由這種物質(zhì)制造而成的水聽器能夠消除一般設(shè)備的自身干擾問題，正常且高效地完成任務(wù)。由于超電導(dǎo)高分子材料的這個特性，現(xiàn)在許多生產(chǎn)者都摒棄其他材料，積極投入電活聚合物在聲吶設(shè)備上的使用和研發(fā)之中。 王化明,陳峰洪,李

35、鷺揚,汪洋,朱銀龍.介電型電活性聚合物傳感單元設(shè)計J.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2017,48(03):383-389.4.2.2 電活聚合物在超聲傳感設(shè)備和換能設(shè)備上的應(yīng)用關(guān)于機器人等電子機械設(shè)備上進行接近感應(yīng)器裝置的配備和使用的原因有以下3點：首先，為了在和目標(biāo)物體進行對接時能夠及時接收相應(yīng)的信息，好進行對應(yīng)反應(yīng)的預(yù)判和預(yù)處理。其次，對機器人實時的可活動空間和可活動范圍進行偵查，方便在檢測到有障礙物體時做出對應(yīng)處理，防止碰撞造成的效率降低和設(shè)備損壞。再次，可以實時接收目標(biāo)物質(zhì)的物理狀態(tài)特征，如大小，體積，方向，位置等信息，方便后續(xù)作業(yè)的展開。利用偏氟乙烯基聚合物來作為超聲探測設(shè)備的基質(zhì)，可以達到使得機

36、器人探測活動高效靈活展開的目的，針對這一方面的電活材料的研究和使用，將形成一個龐大的經(jīng)濟效益可觀的高利市場。4.2.3 醫(yī)療傳感器和換能器4.2.3 電活聚合物在醫(yī)療傳感設(shè)備和換能設(shè)備上的應(yīng)用與傳統(tǒng)的壓電陶瓷進行性能對照下我們不難發(fā)現(xiàn)電活聚合物在聲阻抗的性能表現(xiàn)上遠遠超出傳統(tǒng)物質(zhì)在超聲波模擬成像方面的表現(xiàn)。PVDF物質(zhì)獨有的優(yōu)勢為：接收回應(yīng)的頻幅較寬、能夠維持相對程度的穩(wěn)定性以及相較之下比較優(yōu)秀的強度。應(yīng)用于超生成像領(lǐng)域時對于提升成像清晰度以及圖像的分辨率方面有著優(yōu)秀的表現(xiàn)。臨床醫(yī)學(xué)在超聲波設(shè)備中對壓電聚合物的應(yīng)用中，主要有以下三種形式:超生探頭應(yīng)用、超生識別成像設(shè)備以及超生發(fā)射裝置

37、。在其中，這種由聚合物組成的體外探頭能夠?qū)θ梭w心肺組織的活動情況及生理性狀有一個充分的檢查。拍攝成像效果比傳統(tǒng)設(shè)備要清晰許多。同時PVDF超聲發(fā)射裝置在體外無創(chuàng)碎石技術(shù)中被廣泛應(yīng)用。由于其超生沖擊波的頻率和強度十分適合進行腎結(jié)石，膽結(jié)石尿路結(jié)石的無創(chuàng)碎除，操作簡單，手術(shù)時間段，術(shù)后恢復(fù)期短，手術(shù)操作簡單等一系列突出優(yōu)勢，受到患者以及醫(yī)生的廣泛推崇。已經(jīng)成為小型結(jié)石治療領(lǐng)域的熱門手術(shù)方式，具有極佳的發(fā)展前景。4.3 電活性聚合物在臨床及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用4.3.1 對藥物的釋放速率進行控制最新的實驗研究進行過程中，在復(fù)合型納米管材料/PANi的里面注入基因工程藥物，同時對電位及電荷進行相關(guān)干預(yù)，

38、以便達到操控納米管中藥物分子出入量及出入的時間以此來實現(xiàn)對藥物成分的作用效果和起效時間的控制。把高分子生物性導(dǎo)電納米物質(zhì)覆蓋在藥物的表面，能做到控制藥物釋放快慢速率的效果，通常采用這種做法是為了延遲藥物的起效時間并達到延長藥物作用時間的效果。目前被采用的離子電療法的作用原理是利用電化學(xué)反應(yīng)進行藥物的皮下滲透來達到滿足體內(nèi)治療的目的。原理可以看作是將導(dǎo)電聚合物模擬成電池結(jié)構(gòu)，通過摻雜/脫雜的雙向過程變化起到對藥物進行體內(nèi)外雙向傳導(dǎo)的作用，即嵌入/脫離過程。在要求藥物起效時，接通電路，使得藥物完成皮下滲透進入人體發(fā)揮藥效，參與組織修復(fù)及生命活動。在上述領(lǐng)域，聚毗咯物質(zhì)是發(fā)現(xiàn)最早以及以應(yīng)用最廣的物質(zhì)

39、，有相關(guān)報道指出電紡絲制備該種物質(zhì)已經(jīng)在生物組織領(lǐng)域以及聚合分子藥物緩釋領(lǐng)域上取得了突破性的進步及成果。4.3.2 組織工程在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域中對于臨床放置于生物(主要是人體)骨結(jié)構(gòu)中的材料一般有著較高的要求，如需要具備優(yōu)秀的生物體兼容性以及良好的骨誘導(dǎo)性，同時對其提出具備應(yīng)激性反應(yīng)，即對外界刺激信號產(chǎn)生回向反應(yīng)，還要求對細胞的增性分裂，分化以及礦化產(chǎn)生相應(yīng)的作用。具有電傳導(dǎo)性以及電活性的高分子物質(zhì)具有對細胞間的即時生物電信號的傳導(dǎo)作用，以及對激素的調(diào)節(jié)及釋放的作用，代表物質(zhì)有聚苯胺，這類物質(zhì)能夠?qū)μ囟ǖ哪硞€靶器官或者生物組織進行想過生命活動的參與，以及加快進程，如組織的修復(fù)，細胞的再生，創(chuàng)傷

40、的愈合等。聚合物聚毗咯通常在實際與臨床中被作為組織生長的支撐構(gòu)架被廣泛應(yīng)用，通常應(yīng)用于神經(jīng)細胞的生物刺激，骨質(zhì)細胞的增殖分裂，血管的再生移植修復(fù)和體外器官組織的培養(yǎng)如肝臟組織等生物體再生修復(fù)工程上。在實驗室的研究過程中，通過聚乳酸握基乙酸共聚物來作為基底材料，把少量聚毗咯對實驗鼠進行體內(nèi)植入測試，結(jié)果證明生物體對這種物質(zhì)具有極佳的相容性和較少的排異反應(yīng)表現(xiàn)。另有研究性實驗表明，聚毗咯和透明質(zhì)酸混合后會形成新物質(zhì)聚毗咯I A，將這種新型混合生成物質(zhì)對實驗生命體進行動物測試，發(fā)現(xiàn)其具有良好的血管促生效果和極佳的活體組織催生作用。對神經(jīng)的修復(fù)也具有很好的效果，能夠在細胞生物工程領(lǐng)域進行推廣和使用，如

41、組織器官的修復(fù)再生以及人體體外培養(yǎng)組織體的移植上。5 前景與展望截至目前為止因為聚合物（電活性）有異于現(xiàn)今發(fā)現(xiàn)的其他材料的特別之處，這種材料被研究人員青睞有加，各方學(xué)者對熱衷于對其展開深入研究。在世界上，已經(jīng)有不同國家的聚合物實驗室研發(fā)成功了可以發(fā)生一定形變或者是可以進行縱向使用的電活性聚合物物質(zhì)，這種新型材料的特殊之處是能夠在仿生領(lǐng)域進行大規(guī)模的使用，這是由于該種聚合物和自然活性生命體進行的相關(guān)測試中，通過數(shù)據(jù)顯示幾乎不出現(xiàn)排異性的反應(yīng)現(xiàn)象。如若該種聚合物材料能夠大面積在仿生領(lǐng)域進行應(yīng)用，其前景相當(dāng)有發(fā)展空間。而對于驅(qū)動設(shè)備相關(guān)材料的運用在如今還是極為少見的，因此研究方向仍然幾乎是空白，亟待

42、學(xué)者們投入更多的精力和熱情。希望在今后關(guān)于電活性聚合物的研究能取得更加突破性的進展和勝利，從而完善該物質(zhì)，甚至是研制出更加出色，實用價值更高的聚合物分子材料。6 結(jié)論本文從多種電活性聚合物材料的研究現(xiàn)狀出發(fā)展開。電活性聚合物可以分成離子型聚合物以及電子型聚合物。離子型聚合物（EAP）主要由碳納米管、導(dǎo)電聚合物、電致流變液體、離子聚合物凝膠以及離子聚合物符復(fù)合材料組成的。離子型EAP材料的不足之處是必須要有潤濕度，并且在電流下不能保持穩(wěn)定的移動；電子型EAP由介電 EAP、電致伸縮接枝彈性體、電致伸縮紙張、鐵電體聚合物和液晶彈性體（LCE）等組成。在電流刺激下，電子型EAP產(chǎn)生多種效應(yīng)，如鐵電效應(yīng)等，并且電子型EAP離子型EAP剛好相反，在電流刺激下能夠發(fā)生位置移動。不管是哪種EAP材料，都會有非常大的彎曲響應(yīng)。致 謝看著這篇濃縮著大學(xué)四年精華的論文，突然就覺得安靜了。時光匆匆，不過也就是四年的緣分