電活性聚合物（英語(yǔ)：ElectroactivePolymers，縮寫：EAP）是一類能夠在電場(chǎng)作用下，改變其形狀或大小的聚合物材料。這類材料常見應(yīng)用在執(zhí)行器和傳感器上。電活性聚合物的一個(gè)典型特性是能夠在維持巨大受力作用的同時(shí)進(jìn)行大幅度的變形。

　　早期大多數(shù)執(zhí)行器是由壓電陶瓷材料制作。雖然這些材料可以承受大量的作用力，但它們的變形能力則十分有限。而在1990年代末，一些電活性聚合物所演示的形變就可達(dá)到380%。電活性聚合物最常見的應(yīng)用之一是在機(jī)器人學(xué)中對(duì)人工肌肉的開發(fā)。因此，電活性聚合物也常被用作人工肌肉的代名詞。

發(fā)展歷史

　　電活性聚合物領(lǐng)域的相關(guān)研究可以追溯至1880年，威廉·倫琴設(shè)計(jì)了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，將一端固定另一端附加重物的橡皮筋放在電場(chǎng)下，觀察其長(zhǎng)度變化。隨后薩切爾多特（Sacerdote）在1899年將這個(gè)實(shí)驗(yàn)中電場(chǎng)下的應(yīng)變響應(yīng)公式化。直到1925年，第一種壓電高分子材料——駐極體被發(fā)現(xiàn)。駐極體由巴西棕櫚蠟、松香和蜂蠟熔化混合，通直流電冷卻凝固制成，形成聚合物并展現(xiàn)出壓電效應(yīng)。

　　除了對(duì)電流的反應(yīng)，聚合物對(duì)環(huán)境條件的反應(yīng)也是該研究領(lǐng)域中的一個(gè)重點(diǎn)。1949年，阿哈龍·卡齊爾（AharonKatzir-Katchalsky）等人發(fā)現(xiàn)膠原蛋白纖維在酸堿溶液中會(huì)發(fā)生體積變化。他們發(fā)現(xiàn)膠原纖維在酸性溶液中會(huì)膨脹，在堿性溶液中會(huì)收縮。盡管也有對(duì)其他刺激因素的研究，但由于電刺激的簡(jiǎn)易性和實(shí)用性，大部分的研究都將重點(diǎn)放在了對(duì)其仿生學(xué)的應(yīng)用上。

　　直到20世紀(jì)60年代末電活性聚合物技術(shù)的研究才有了突破性進(jìn)展。卡瓦依（Kawai）發(fā)現(xiàn)聚偏氟乙烯材料（PVDF）具有較大的壓電效應(yīng)。這激發(fā)了對(duì)其他可能具有相同性質(zhì)的聚合物體系的研究。1977年，第一種導(dǎo)電聚合物被白川英樹等人發(fā)現(xiàn)。他同艾倫·麥克德爾米德和艾倫·黑格發(fā)現(xiàn)聚乙炔具有導(dǎo)電性，并且在摻雜碘蒸氣時(shí)其導(dǎo)電性會(huì)提升8個(gè)數(shù)量級(jí)，接近金屬的電阻。到20世紀(jì)80年代晚期，已經(jīng)有越來(lái)越多的聚合物被證實(shí)具有壓電效應(yīng)或者被發(fā)現(xiàn)具有導(dǎo)電性。

　　20世紀(jì)90年代初期，離子聚合物-金屬?gòu)?fù)合材料（IPMC）逐步發(fā)展起來(lái)，并顯示出遠(yuǎn)優(yōu)于先前材料的電活性屬性。離子聚合物-金屬?gòu)?fù)合物的主要優(yōu)點(diǎn)是這類材料能夠在低至1或2伏特的電壓下被激活形變，這要比之前任何電活性聚合物都要小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這種材料不僅有更小的激活能，同時(shí)還能經(jīng)受更大的形變，其最大應(yīng)變可以達(dá)到380%。

　　1999年，約瑟夫·巴爾-科恩提出了“EAP機(jī)械手臂對(duì)人類掰手腕比賽”的挑戰(zhàn)。這個(gè)挑戰(zhàn)的目的是為了在全世界范圍內(nèi)，尋找能夠設(shè)計(jì)出在掰手腕比賽中擊敗人類的EAP機(jī)械手臂的研究團(tuán)隊(duì)。第一屆挑戰(zhàn)賽在2005年“電活性聚合物致動(dòng)器和設(shè)備大會(huì)”上舉行。此外該領(lǐng)域的另一個(gè)里程碑式的事件是由日本的“Eamex”公司開發(fā)的第一個(gè)商業(yè)成熟的EAP人造肌肉設(shè)備。這家公司生產(chǎn)出一種機(jī)械魚，能夠靠尾部的EAP肌肉尾鰭在水中游動(dòng)。不過(guò)該技術(shù)在實(shí)際開發(fā)的進(jìn)度并不令人滿意。

EAP材料分類

　　電活性聚合物可有多種不同的機(jī)制，但總體可以分為電子型和離子型兩大類。

電子型

　　電子型電活性聚合物，即電場(chǎng)活性材料，通過(guò)電場(chǎng)中靜電力作用誘導(dǎo)產(chǎn)生電致伸縮效應(yīng)以及靜電、壓電和鐵電效應(yīng)。因?yàn)槠湔麄€(gè)過(guò)程不需要保持在溶液環(huán)境，也被稱為干驅(qū)動(dòng)體系。這種材料可在直流電場(chǎng)作用下產(chǎn)生誘導(dǎo)位移，例如介電彈性體，當(dāng)加載電壓后它將沿電力線方向產(chǎn)生收縮，并在與電力線垂直正交的平面內(nèi)擴(kuò)展延伸。這種材料通常需要較高的激勵(lì)電場(chǎng)（>100V/μm），接近擊穿電場(chǎng)。

鐵電體聚合物

　　鐵電體聚合物，或鐵電聚合物，是一類具有鐵電性的晶體極性聚合物。這類聚合物本身具有電子偶極距，當(dāng)施加適當(dāng)?shù)碾妶?chǎng)后，這個(gè)偶極矩會(huì)反向。最常見的鐵電體聚合物是聚偏氟乙烯（PVDF）和它的共聚物，具有良好的柔韌性并易制成大面積的薄膜，因而在音頻和超聲傳感器、生物醫(yī)學(xué)傳感器、機(jī)電換能器以及熱釋電和光學(xué)器件中具有很大的應(yīng)用前景。

電致伸縮接枝彈性體

　　電致伸縮接枝彈性體由彈性的聚合物骨架和接枝的可結(jié)晶極性基團(tuán)組成。柔性的骨架結(jié)構(gòu)提供無(wú)規(guī)態(tài)鏈結(jié)構(gòu)，從而形成三維的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并與接枝結(jié)晶區(qū)域物理交聯(lián)。主鏈與支鏈由帶有電荷的極性單體合成，可以產(chǎn)生偶極矩，使結(jié)晶支鏈誘導(dǎo)極化。施加電場(chǎng)時(shí)，偶極子產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩作用刺激支鏈的極化單元旋轉(zhuǎn)，主鏈局部重排，彈性體產(chǎn)生變形。

液晶彈性體

　　液晶彈性體長(zhǎng)鏈分子之間的介晶基元使其可以相互滑行穿過(guò)彼此，使材料能夠在很小的作用下即可以發(fā)生伸長(zhǎng)現(xiàn)象。材料的單域向列相液晶彈性體和導(dǎo)電聚合物組合，通過(guò)向列相和各向同性相之間的相轉(zhuǎn)變產(chǎn)生電活性，液晶側(cè)鏈的重排使聚合物主鏈發(fā)生應(yīng)變，從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。向列型和各向同性態(tài)之間的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電活性，這種轉(zhuǎn)換時(shí)間小于1秒。因其具有生物相容性，因此可以用來(lái)制備人造肌肉和微型設(shè)備等。

離子型

　　離子型電活性聚合物通過(guò)聚合物中的離子移動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器。離子型電活性聚合物往往需要相對(duì)較低的電壓和較大的電流，能量效率相對(duì)較低，需要持續(xù)供能來(lái)維持形狀。典型的例子有導(dǎo)電聚合物、離子聚合物-金屬?gòu)?fù)合材料和響應(yīng)性凝膠。這類聚合物通常在液體電離環(huán)境下操作，因此常用于生物體環(huán)境下的應(yīng)用。

電流變液

　　電流變液是由懸浮顆粒分散于介電常數(shù)較低的絕緣液體中制得，顆粒直徑在0.1-100μm范圍內(nèi)。當(dāng)施加強(qiáng)度較大的電場(chǎng)時(shí)，由于誘導(dǎo)偶極距的運(yùn)動(dòng)，鏈會(huì)沿著電場(chǎng)方向排列，從而引起結(jié)構(gòu)及粘度的改變，產(chǎn)生應(yīng)變及其它特性，使電流變體從液體轉(zhuǎn)變成黏彈性物質(zhì)，響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到微秒級(jí)。其潛在的應(yīng)用包括減震器、發(fā)動(dòng)機(jī)支架和聲學(xué)阻尼器等。

離子聚合物-金屬?gòu)?fù)合材料

　　典型的離子聚合物-金屬?gòu)?fù)合材料（IPMC）由離子聚合物薄膜和鍍?cè)趦杀砻娴馁F金屬電極組成，離子聚合物膜內(nèi)含有大量的陽(yáng)離子以中和共價(jià)鍵合在聚合物骨架上的陰離子。這種復(fù)合材料可以在較低的驅(qū)動(dòng)電壓和低阻抗下產(chǎn)生較大的應(yīng)變。電場(chǎng)導(dǎo)致離子濃度的改變，從而吸引水分子移向聚合物的一側(cè)，導(dǎo)致層狀結(jié)構(gòu)向電極的一邊彎曲。非均勻分布的水分子導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器一側(cè)溶脹而另一側(cè)收縮。由于膠原纖維本身主要由自然帶電離子聚合物構(gòu)成，所以這類材料擁有良好的仿生應(yīng)用前景。

特性描述

　　電活性聚合物具有多種特性，這里著重從三個(gè)方面描述：應(yīng)力-應(yīng)變曲線、動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析和介電熱分析。

應(yīng)力-應(yīng)變曲線

　　應(yīng)力應(yīng)變曲線提供關(guān)于諸如聚合物脆性、彈性和屈服強(qiáng)度的機(jī)械性質(zhì)信息。實(shí)驗(yàn)通過(guò)施加不斷以統(tǒng)一速率增加的力并測(cè)量聚合物的應(yīng)變。此項(xiàng)技術(shù)對(duì)于測(cè)定材料的脆性和強(qiáng)度很有用，但卻是一種破壞性的實(shí)驗(yàn)。隨著應(yīng)力增加，聚合物會(huì)因此而折斷。

動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析

　　動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析（DMTA）是一種非破壞性的技術(shù)，常用于分析分子層面的形變機(jī)制。在動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析中，聚合物會(huì)被施加正弦波動(dòng)的動(dòng)態(tài)壓力，并根據(jù)聚合物的形變，測(cè)定出彈性模量和阻尼特性（假定該聚合物是諧振子）。彈性材料會(huì)將此機(jī)械能儲(chǔ)存并轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，稍后加以利用。一個(gè)理想的彈簧（無(wú)阻尼）會(huì)使用全部的勢(shì)能恢復(fù)成原來(lái)的形狀，而一個(gè)流體（高阻尼）的勢(shì)能會(huì)在流動(dòng)中喪失，無(wú)法恢復(fù)到原有的位置或形狀。粘彈性聚合物會(huì)展現(xiàn)出綜合以上兩種表現(xiàn)的特性。

介電熱分析

　　介電熱分析（DETA）類似于動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析。但不同于動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析施加動(dòng)態(tài)壓力，介電熱分析施加的是一個(gè)動(dòng)態(tài)的電場(chǎng)。施加的電場(chǎng)可以導(dǎo)致樣本極化，并且如果聚合物含有永久電偶極子基團(tuán)，那么它們將會(huì)和電場(chǎng)匹配。電容率可以從變化幅度中測(cè)量出，并用于解決電介質(zhì)存儲(chǔ)器和損失組件的問(wèn)題。電位移也可以根據(jù)電流變化測(cè)出。一旦電場(chǎng)消失，偶極子又會(huì)恢復(fù)到隨機(jī)的偶極矩方向。

應(yīng)用

　　由于高分子材料加工的便捷性，電活性聚合物可以被輕松地被制造成各種形狀并用作各種用途。電活性聚合物的一個(gè)潛在應(yīng)用是在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）中來(lái)制造智能執(zhí)行器。作為最有前景的實(shí)際用途研究方向，電活性聚合物常被用于人造肌肉中。其與生物肌肉相似的高斷裂韌性、大驅(qū)動(dòng)應(yīng)變和固有振動(dòng)阻尼能力引起了在此領(lǐng)域的科學(xué)家的注意。

　　此項(xiàng)技術(shù)也被用于可變盲文顯示應(yīng)用。針對(duì)視覺受損人群的快速閱讀計(jì)算機(jī)協(xié)助交流，電活性聚合物可用于制作可變化的盲文凸點(diǎn)。

　　電活性聚合物可以用于材料形成小的脈沖。這些脈沖可以用于藥物遞送、微流控、主動(dòng)流動(dòng)控制和其他眾多定制應(yīng)用。脈沖裝置最可能的構(gòu)型是雙膜片裝置。離聚物泵所具有的優(yōu)點(diǎn)是低電壓操作、超低噪聲信號(hào)、高系統(tǒng)效率和高精確流浪控制。

　　電活性聚合物所具有的獨(dú)特性質(zhì)的另一個(gè)技術(shù)應(yīng)用是光學(xué)薄膜。由于執(zhí)行器機(jī)械阻抗的低模量，它們能和常見的光學(xué)膜材料匹配。此外，單個(gè)的電活性聚合物執(zhí)行器可以產(chǎn)生微米到厘米級(jí)的位移。因此這些材料可以被用作靜電形狀校正和抖動(dòng)抑制。這些執(zhí)行器也可以被用于校正由大氣干擾產(chǎn)生的像差。

　　因?yàn)檫@些材料所展現(xiàn)出的這些卓越電活性性質(zhì)，電活性聚合物還仿生機(jī)器人、應(yīng)力傳感器和聲場(chǎng)研究中展現(xiàn)出潛力。這些實(shí)際應(yīng)用使得電活性聚合物在未來(lái)成為更具吸引力的研究課題。它們已經(jīng)在面部肌肉和手臂肌肉的人形機(jī)器人的執(zhí)行器上的到了廣泛應(yīng)用。

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