電活化聚合物的應用研究

摘 要:為了緩解經濟發展與能源及環境之間的矛盾，本文對電活化聚合物這種清潔、高效的新型能源材料進行了調查研究及實驗分析，介紹了該材料的性能及發電原理，同時對國內外的應用現狀進行了分析，揭示了電活化聚合物廣闊的應用前景和發展趨勢。

關鍵詞:電活化聚合物應用發電發展趨勢

中圖分類號:TK5文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)05(c)-0009-03

1 引言

電活化聚合物(Electroactive Polymers， EAPs)因其獨特的電性能和機械性能而受到人們的極大關注[1]，其具有價格便宜、清潔高效、容易制造且質地柔順等優點。雖然對該物質的研究已長達近30年，但只是在近些年來，人們才真正在驅動器材料方面有所收獲。如美國的斯坦福研究所、伊利諾斯州大學，歐洲的愛爾蘭、英國、意大利等國家及日本的幾個公司。其中，美國的AMI(Artificial Muscle Inc.)公司專門開發了基于電活化聚合物的新型技術平臺，目前服務于基于該材料的包括工業、醫療、消費、汽車及航天等領域的大約40億美元的市場[2]。有關EAPs的材料及應用的研究在我國逐漸受到關注，近年來陸續有國內作者以綜述的形式介紹有關EAPs研究及應用的情況[3-7]，并有少量相關該材料研究的報道[8，9]，目前國內的介紹及研究均集中在驅動領域。但作為發電材料，還尚且處于研究階段。

2 國外應用及研究現狀

電活化聚合物材料具有很大的應變能力，應用于驅動領域可制造重量輕、驅動效率高、抗振性能好的驅動器，是具有發展潛力的仿生材料。同時，電活化聚合物是一類在電場的激勵下，通過尺寸和形狀的改變產生電能的聚合物，可廣泛應用于發電領域。

2.1 機器塑料魚

日本大阪的Eamex公司生產了一種基于電活化聚合物的機器魚[10]。其內部不包含任何機械部分:沒有馬達、傳動軸、齒輪，甚至連一節電池都沒有。它們是靠內在力驅動的塑料魚，可以和真魚一樣在水中游動，這些魚之所以會游泳，就是因為它們的塑料內臟在來回彎曲。這是基于電活化聚合物的第一批商業化產品。

2.2 仿真肌肉

電活化聚合物在其仿制生物肌肉時會表現出它的高韌性，以及很高的傳動應變和內在減震能力，為制造生物信號激勵的機器人提供了材料。Yoseph Bar-Cohen屬于這一領域的帶頭人之一，他致力于研制用仿真肌肉傳動的機器人手臂，“臂力”已經能夠勝過真人(圖1)。這方面的進展將產生巨大的效益，尤其是在醫療方面，如制造強有力的假肢等[11]。

2.3 鋰離子蓄電池電極材料

F.Denton[12]等闡述了利用電活化聚合物作為過充保護機制的可行性。電活化聚合物用于鋰離子蓄電池的過充保護主要是利用其電導率在氧化和還原狀態下的顯著變化以及這個過程的可逆性來實現的，具體過程如圖2所示。1987年日本已將鈕扣式Li-AI/LiBF4-PC/PAn電池投放市場，成為第一個商品化的塑料電池[13]。

2.4 電活化分離膜

20世紀80年代初Burgmayer和Murray提出基于電活化聚合物CEP(Conducting Electroactive Polymers)的離子選通膜的概念，圖3顯示了動態CEP膜的一般工作原理[14]。該裝置為三電極系統的遷移電池，使用獨立式聚毗咯/對甲苯磺酸鹽(pTS)膜作工作電極。利用此裝置可以轉換聚合物膜的氧化和還原狀態，從而實現并控制聚合物進行離子交換。

2.5 利用人體能的便攜式發電機

電活化聚合物所具有的高能量比、大應變、柔順性及低的材料密度、耐沖擊等特性，使之可與人體關節等動作直接耦合，可構造成一種合身穿戴、成本低廉而高效的輕型發電機。利用人體的關節、腳跟沖擊等動作發電頗具前景。圖4為美國斯坦福研究所(SRI)開發的一個鞋跟沖擊鞋發電機[2]。

電活化聚合物所具有的許多優良特性使其具有廣闊的應用前景。隨著電活化聚合物材料制造工藝的日趨成熟，其在發電領域的研究必將受到重視。

3 國內應用及研究現狀

有關EAPs材料及應用的研究在我國逐漸受到關注，電活化聚合物材料可在驅動和發電兩種模式下工作[15]。目前國內的介紹及研究均集中在驅動領域。2006年863項目指南把“大變形電致活性聚合物材料在類天然肌肉驅動器件中的設計和應用技術”列為專項，但是目前為止國內大學、科研機構關于EAPs驅動、結構及應用研究的報道和文章極少，中山大學跟蹤國外研究進展，已在廣東省立項進行EAPs驅動傳感領域的研究，主要使用丙烯酸聚合物薄膜，研究單雙向預拉伸驅動器及其機電耦合驅動特性，研制彈簧圓柱單自由度驅動器件等[7]。此外，挪威科學技術大學[16]和國內同濟大學[17]開始了電活化聚合物發電的研究。合肥工業大學開始了電活化聚合物一維伸縮致動器設計[18]，并進行了電活化聚合物的力學性能模型研究[19]。安徽工業大學進行了電活化聚合物材料特性的數學建模研究及分析[20]。重慶工業大學進行了電活化聚合物的破壞機理分析研究[21]。浙江師范大學鄂世舉等多位老師依據介電彈性體薄膜材料的結構特征，分析了發電模式下介電彈性體材料發電的基本機理，通過仿真及實驗分析了該材料的電能轉換過程，驗證電活化聚合物發電的實驗電路原理圖如圖5所示，其發電實驗結果如圖6所示[15]。

4 發展趨勢

作為一種新型材料，電活化聚合物已逐漸受到人們的重視，其具有的眾多優點也為它廣泛的應用前景奠定了基礎。

(1)電活化聚合物材料重量輕、能耗低、價格便宜，尤其是該種材料柔軟，動作特性與動物的肌肉相似，因此在柔性機器人、微機械、醫療、仿生機械、航天、軍事、玩具等方面EAPs作為一種新型材料頗具應用潛力。

(2)以丙烯酸聚合物和硅橡膠為典型代表的絕緣彈膠物，是電活化聚合物的一種，該類材料響應速度快、變形大、轉換效率高，可以應用于許多場合，如位移傳感器、泵、機器人、人造肌肉手臂、蝶形、曲輥形傳感器等。

(3)面向發電領域，根據電活化聚合物的性能特點，特別適合于針對低頻、大變形能量源進行發電的場合，如用于風力及海浪、潮汐發電等場合以及單兵裝備中。

隨著研究的不斷深入，電活化聚合物的應用是很有前景的。

5 結語

電活化聚合物在驅動領域已廣受關注，其良好的生物相容性，使其成為具有發展潛力的仿生材料。在發電領域，其成本低廉、清潔高效的特點在能源產業也具有廣闊的應用前景。但就目前的形勢而言，要實現這些應用還需要通過大量的研究來解決面臨的難題。能源問題是世界關注的問題，加大對電活化聚合物的研究利用，會使我們的環境和經濟得到很大的提高。

參考文獻

[1] Jumaily AM， Assim A. Prospective optical electroactive Polymers[C].Proceedings of SPIE， EAPAD，California，2003(5051):400-403.

[2]Pelrine R， Kornbluh R， Eckerle J，et al. Dielectric elastomers: generator mode fundamentals and applications [J].Proceedings of SPIE，2001(4329):148-156.

[3]趙淳生，楊淋.人造肌肉及其在未來微特電機中的應用[J].微特電機，2006(10):1-6.

[4]韓福豐，王彥，劉立宏等. 基于EAP驅動器的并聯式管道機器人機構設計[J].機械科學技術，2006，25(2):214-232.

[5]魏強，陳花玲.電智能聚合物智能材料分類及其特點[J].傳感器世界，2007(4):6-10.

[6]彭翰，楊淋，李華峰，等.離子聚合物－金屬復合物發展綜述[J]. 微特電機，2008(2):57-61.

[7]戴豐加，祁豐梅，鄭壽森等.基于絕緣彈膠物的驅動傳感研究現狀評述[J].材料科學與工程學報，2008，26(1):156-160.

[8]魏源遠，馮志華，劉永斌等.介電彈性體致動器及其應變響應研究[J].功能材料與器件學報，2006，12(6):501-504.

[9]黃偉生，叢羽奇，林保平等.聚氨脂彈性體電致伸縮性能研究[J].聚氨脂工業，2006，21(3):18-21.

[10]Steven A，柯江華，李子.人造肌肉夢想成真[J].科學，2003(12):44-51.

[11]宋心琦，馬旭東.電活性聚合物——仿真肌肉材料的首選[J].國外科技動態，2002(6):18-19.

[12]Howard DJN， Anani AA， Fernandez JM. Self-switching electrochemical cells and method of making same [P].USP:6228516， 2001-06-02.

[13]唐致遠，劉強，陳玉紅等.電活性聚合物在鋰離子蓄電池中的應用[J].電源技術，2006，30(12):1017-1019.

[14]彭子力，周南橋，謝小莉.基于本征導電聚合物的分離膜體系的研究進展[J].現代化工，2003，23(S1):48-51.

[15]鄂世舉，朱喜林，曹建波等.介電彈性體材料機械能——電能轉換特性[J].農業機械學報，2010，41(9):194-198.

[16]Wang K. Introduction to the renewable energy–generating power from electroactive polymer (EAP) [C]. SINTEF Report. 2008.

[17]Lin GJ， Chen M. Research of micro-power generator based on the dielectric electro active polymer [C]. 2009 International Conference on Energy and Environment Technology， Guilin， China， 2009: 782-786.

[18] 李剛.電場活化聚合物(DE)一維伸縮致動器設計[D].合肥工業大學，2007.

[19]馮敏亮.電場活化聚合物(DE)力學性能模型研究[D].合肥工業大學，2007.

[20]陳娟，呂新生.電場活化聚合物材料特性的數學建模研究與分析[J].安徽工業大學學報(自然科學版)，2007(1):50-54.

[21]趙翠清，呂新生，張曄.電場活化聚合物的破壞機理分析[J].重慶工學院學報(自然科學版)，2007(1):25-28.