【儀表網 研發快訊】高介電常數彈性體具有柔軟、可拉伸、響應快和可靠性高等特點，是一種用途廣泛的材料，可應用于人工肌肉、驅動、傳感、信息處理和能量存儲等領域。彈性體既能適應生物組織的應變，又能在人體運動過程中保持電氣穩定性，因此特別適用于可穿戴電子設備。前期，中國科學院寧波材料技術與工程研究所前沿交叉科學研究中心彈性鐵電材料與器件課題組報道了在 1 kHz 時介電常數高達 35.4(100 Hz 時介電常數高達 54.2)的本征彈性體( Advanced Materials, 2024, 36, 2404001)，這種彈性體通過利用 “微交聯 ”法對與軟長鏈交聯的弛豫鐵電聚合物進行彈性化，以平衡材料的鐵電性和彈性。然而，軟長鏈交聯的本征彈性體材料在交變電場下的介電弛豫和高流動性會導致大量能量耗散，從而導致大量介電損耗。從實際應用的角度來說，如在介電驅動器和電容式傳感器中，在強場驅動條件下，高介電損耗會導致機電設備產生大量熱量，降低設備靈敏度甚至導致設備失效，除此以外，高介電損耗還會出現泄漏電流增大和擊穿強度降低等問題，對設備造成不利的影響。因此，找到一種簡單有效的策略來降低高介電常數彈性體的介電損耗，對于提高設備壽命、保持高性能、確保可穿戴電子設備的穩定運行至關重要。
 

　　為了解決上述問題，寧波材料所前沿交叉科學研究中心胡本林研究員帶領彈性鐵電材料與器件課題組通過采用剛性短鏈交聯劑與弛豫型鐵電材料 P(VDF-TrFE-CFE) 進行交聯，利用弛豫型鐵電材料的彈性化成功設計了一種具有高介電常數低介電損耗的本征彈性體材料。交聯P(VDF-TrFE-CFE) 的循環應力-應變曲線下面積變得更小，在60%應變下彈性回復率超過70%。該彈性體材料在室溫下(25℃)在1 kHz時具備~35的高介電常數，介電損耗小于0.1。與長鏈交聯劑相比，將材料的介電損耗降低了70%。除此之外，該彈性體材料具備良好的鐵電性、壓電性和熱穩定性，制備的彈性器件在80%的應變下仍具備穩定的鐵電響應。
 

　　相關結果以“Reducing Dielectric Loss of High-Dielectric-Constant Elastomer via Rigid Short-Chain Crosslinking”為題發表于Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.202411082)。寧波材料所碩士生李方舟為第一作者，寧波材料所胡本林研究員為通訊作者。該研究得到了浙江省自然科學基金(LR24E030003)、浙江省錢江人才計劃(ZJ-QJRC-2020-32)和國家自然科學基金(12172318)等的支持。
 

圖1 高介電常數和低介電損耗彈性體的設計理念
 

圖2 交聯P(VDF-TrFE-CFE) 彈性體的機械特性
 

圖3 交聯 P(VDF-TrFE-CFE) 彈性體的鐵電特性