[发明专利]一种多层非对称改性碳纳米管硅橡胶介电复合材料

说明书

本发明公开了一种多层非对称改性碳纳米管硅橡胶介电复合材料及其制备方法，所述介电复合材料通过旋涂法制备，底层为纯硅橡胶，上层为非共价改性碳纳米管硅橡胶复合材料层。将非共价改性剂修饰到碳纳米管表面，修饰后的碳纳米管在超声辅助下分散到硅橡胶基体中，将该混合溶液单次或多次旋涂于纯硅橡胶薄膜上，最后经过固化得到具有非对称介电性能的多层改性碳纳米管硅橡胶介电弹性体复合材料。利用该方法制备的介电复合材料有效的避免了因碳纳米管团聚而导致材料击穿强度大幅降低的问题，并且有效的提高了硅橡胶在厚度方向上的电致形变。

技术领域

本发明涉及刺激响应智能聚合物复合材料领域，具体涉及一种多层非对称改性碳纳米管硅橡胶介电复合材料及其制备方法。

背景技术

介电弹性体是具有高介电常数的弹性体材料，在外界电刺激下可改变形状和体积，因此可以实现电动能转换，是电活性聚合物的一个新兴领域。介电弹性体具有质轻、易加工、无噪声、高延展性和价格低廉等优点，是制备高性能驱动器的理想材料。

介电弹性体驱动器的工作原理可用公式表示：S=-ε₀ ε_r E²⁄Y，S为弹性体的电致形变，=8.854×10^-12 F·m^-1为真空介电常数，为弹性体薄膜的相对介电常数，Y为杨氏模量，E为施加电场强度（Ron Pelrine, Roy Kornbluh, Qibing Pei, Jose Joseph,High-speed electrically actuated elastomers with strain greater than 100%,Science, 2000, 287(5454):836-839）。可见介电弹性体的电机械相应能力与该材料的介电常数成正比，与杨氏模量成反比。

硅橡胶基介电弹性体具有优异的弹性、耐久性和快速响应性，已经被广泛应用于电致驱动器领域中。但是纯的硅橡胶介电常数较低，通常需要较高的激励电场才能产生令人满意的电致形变，这极大的限制了其应用。近年来采用纳米陶瓷或者导电纳米粒子对其进行功能化改性成为了提高硅橡胶介电弹性体的介电常数和电致形变的重要方法。例如，Yanju Liu等（Yanju Liu, Liwu Liu, Zhen Zhang, Jinsong Leng, Dielectricelastomer film actuators: characterization, experiment and analysis, SmartMaterials and Structures, 2009, 18(9):095024）将钛酸钡加入到硅橡胶基体中，制备了高介电常数的介电复合材料。但是由于陶瓷填料硬度高，介电常数提高的同时，模量也大幅增加，导致复合材料电致形变能力下降。同时由于陶瓷材料与硅橡胶基体相容性差，难以均匀分散，使得材料的击穿场强下降。

另外，对于均质的介电弹性体来说，即便通过外加填料的方式使得其介电常数大幅提高，其电致形变一般都被限制在平板状介电复合材料所在平面内，很少能够在厚度方向上获得高的电致形变。中国专利申请号：201510814610.X《一种导电高分子非共价修饰石墨烯改性电动能转换聚合物材料的方法》采用非共价键功能化的石墨烯改性聚氨酯介电弹性体，制备了一种均质的电动能转换复合材料。该材料在32.2 MV/m的电场作用下厚度方向上的电致形变值达到162%。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供了一种多层非对称改性碳纳米管硅橡胶介电复合材料，在厚度方向上具有优异的电致形变性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种多层非对称改性碳纳米管硅橡胶介电复合材料，所述介电复合材料包括底层和上层的多层结构，底层是纯硅橡胶，上层是非共价改性碳纳米管硅橡胶复合材料层，该复合材料层的层数为一层，两层或者三层。