1.本发明涉及力电耦合功能材料，具体涉及一种预设并锁止净电荷增强挠曲电效应的复合挠曲电材料。


背景技术：

2.挠曲电效应是一种由非均匀应变(应变梯度)引起的电极化现象，是一种新型的力电耦合效应。挠曲电效应理论上存在于所有电介质材料之中，包括陶瓷晶体、高分子聚合物、液晶材料和介电弹性体等。其具有材料选择性广、温度适应性高、尺度效应等优点。
3.考虑到挠曲电效应力电转换效率低，耦合响应小，软材料因其生物相容性、环境友好性和大变形能力等优点，而在挠曲电效应的研究中广受关注。基于软材料的挠曲电效应普遍要低于陶瓷等其他材料。因此，提升软材料的挠曲电效应对其提升相关器件的效率有着重要意义。


技术实现要素：

4.为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种预设并锁止净电荷增强挠曲电效应的复合挠曲电材料。该复合挠曲电材料的挠曲电效应提升两个数量级。
5.为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
6.预设并锁止净电荷增强挠曲电效应的复合挠曲电材料，在具有交联网络2的介电弹性体基底1中植入内部可以携带净电荷4的纳米颗粒3，携带净电荷4的纳米颗粒3被交联网络2捕获并束缚在介电弹性体基底1内构成复合挠曲电材料；被纳米颗粒3撑大的交联网络2与其周围未被撑大的交联网络2之间形成局部应变梯度而产生初始偶极矩；该净电荷4会进一步增大初始偶极矩；当复合挠曲电材料宏观受到应变梯度时，产生的初始偶极矩因无法相互抵消而在原有介电弹性体基底1的挠曲电极化的基础上提供叠加的电极化效应，从而达到对复合挠曲电材料的挠曲电效应增强作用。
7.纳米颗粒3携带净电荷4的方法为对复合挠曲电材料进行电极化后，纳米颗粒3中就携带净电荷4。
8.所述的介电弹性体基底1中的交联网络2尺寸可调控，介电弹性体基底1的材料采用聚二甲基硅氧烷pdms或顺丁橡胶br。
9.所述纳米颗粒3的特征尺寸应大于介电弹性体1的交联网络2的特征尺寸，但不超过介电弹性体基底1中交联网络2的可捕获尺寸，以便于被捕获撑大交联网络2，构造初始应变梯度，形成局部初始偶极矩。
10.携带净电荷4的纳米颗粒3对电荷具有较强的俘获能力且电荷携带能力具有一定持久性，纳米颗粒3的材料采用对负电荷有较强俘获能力的二氧化硅或二氧化钛。
11.所述复合挠曲电材料的制备方法如下，将纳米颗粒3溶于有机溶剂形成溶液，将溶液与介电弹性体基底1按纳米颗粒3在介电弹性体1中的质量百分比为0.5
‰
到5
‰
充分混合后倒入模具，待有机溶剂挥发除泡后于40到80摄氏度环境下固化8到24小时；然后在100到
200℃温度条件下进行20到30分钟直流电极化，极化场强为1到3mv/m。
12.植入携带净电荷4的纳米颗粒3的介电弹性体基底1具有可拉伸性，通过单向或双向拉伸来调控纳米颗粒3附近的局部初始偶极矩。
13.本发明和现有技术相比，具有如下优点：
14.1)本发明通过在具有交联网络的介电弹性体基底中植入内部可以携带电荷的纳米颗粒，，使复合挠曲电材的挠曲电系数提高两个数量级。
15.2)本发明中使用的纳米颗粒材料可选范围广，且不同材料对电荷的捕获能力不同。
16.3)本发明中的带纳米颗粒的介电弹性体原材料便宜，具有可拉伸性，对材料的挠曲电效应有调控作用。
17.总之，本发明实现了增强介电弹性体挠曲电效应两个数量级的增强。
附图说明
18.图1为本发明复合挠曲电材料结构示意图。
19.图2为本发明的原理图。
20.图3为本发明的实验验证图。
具体实施方式
21.以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
22.首先说明图图1中的交联网络和纳米驻极体颗粒并非真实尺寸，而是放大若干倍的示意图，交联网络的几何尺寸往往在纳米至微米尺度，而纳米驻极体颗粒的尺度也往往在5-100纳米尺度。
23.如图1所示，本发明一种预设并锁止净电荷增强挠曲电效应的复合挠曲电材料，在具有交联网络2的介电弹性体基底1中植入内部可以携带净电荷4的纳米颗粒3，携带净电荷4的纳米颗粒3被交联网络2捕获并束缚在介电弹性体基底1内构成复合挠曲电材料。被纳米颗粒3撑大的交联网络2与其周围未被撑大的交联网络2之间形成局部应变梯度而产生初始偶极矩。在对该挠曲电材料进行电极化处理后，纳米颗粒3被植入净电荷4。该净电荷4会进一步增大初始偶极矩；当复合挠曲电材料宏观受到应变梯度时，产生的初始偶极矩因无法相互抵消而在原有介电弹性体基底1的挠曲电极化的基础上提供叠加的电极化效应，从而达到对复合挠曲电材料的挠曲电效应增强作用。
24.作为本发明的优选实施方式，介电弹性体基底1中的交联网络2尺寸可调控，介电弹性体基底(1)的材料采用聚二甲基硅氧烷pdms或顺丁橡胶br。
25.作为本发明的优选实施方式，纳米颗粒3的特征尺寸应大于介电弹性体1的交联网络2的特征尺寸，但不超过介电弹性体基底1中交联网络2的可捕获尺寸，以便于被捕获撑大交联网络2，构造初始应变梯度，形成局部初始偶极矩。
26.作为本发明的优选实施方式，携带净电荷4的纳米颗粒3对电荷具有较强的俘获能力且电荷携带能力具有一定持久性，纳米颗粒3的材料采用对负电荷有较强的俘获能力的二氧化硅或二氧化钛等。
27.作为本发明的优选实施方式，复合挠曲电材料的制备方法如下，将纳米颗粒3溶于
有机溶剂，将溶液与介电弹性体基底1按比例(纳米颗粒在介电弹性体基底的质量百分比2
‰
)混合并充分混合后倒入模具，待有机溶剂挥发除泡后于60摄氏度环境下固化24小时。然后在150℃温度条件下下进行30分钟直流电极化，极化场强为3mv/m。
28.作为本发明的优选实施方式，植入携带净电荷4的纳米颗粒3的介电弹性体基底1具有可拉伸性，可以通过单向或双向拉伸来调控纳米颗粒3附近的局部初始偶极矩。
29.图2是本发明的原理图。普通介电弹性体(无纳米颗粒填充)的挠曲电效应如图2(a-c)所示。高分子链在交联剂的束缚作用下形成的交联网络在介电弹性体内部的排列可等效为立方体结构，立方体的边为弹性体的分子链而顶点则是交联节。另外材料的交联密度决定了交联网络尺寸的大小。从单个交联网格二维结构看，呈正方形结构，如图2(a)和(b)所示。当材料受到一定弯矩而产生一定曲率k时，在图2(c)中只有横向的两条链受到弯矩，由此产生局部偶极矩而产生极化现象。材料宏观的电极化强度p便是单位体积内偶极矩的总和，可以表达为：
[0030][0031]
其中q、d和v分别是单个偶极子的电荷量、正负电荷中心的距离以及总的体积。此时材料的挠曲电效应可表示为：
[0032][0033]
其中μ0是不带纳米颗粒的介电弹性体的挠曲电系数。
[0034]
当材料内部填充带净电荷的纳米颗粒之后，纳米颗粒被捕获于交联网格内部。首先这些被填充了纳米颗粒的交联网格尺寸被迫撑大，如图2(d)所示。从二维的角度看，交联网格被球状纳米颗粒所撑大，其结构可等效为边长拉长的正方形网格，这与相邻的四个保持原长的网格之间产生局部应变梯度k0而产生初始偶极矩qd0，其中q和d0分别是介电弹性体单个网格中等效偶极子的电荷量以及初始条件下偶极子正负电荷中心的距离。在带电纳米颗粒的影响下，初始偶极矩可以表示为：
[0035]
p0＝(q+qe)d0ꢀꢀꢀ
(3)
[0036]
其中qe是带电荷的纳米颗粒对偶极子电荷量的增量。如图2(e)所示。在宏观不受载的情况下，这种初始偶极矩由于四个方向的相互抵消而宏观不显电性。
[0037]
当对材料施加弯矩，产生相同的曲率k，纳米颗粒的上下左右四个方向产生如图2(f)所示的应变梯度变化，此时，这种应变梯度的非对称性在原有的基础上提供额外的极化强度而增强了介电弹性体的挠曲电效应。因此，填充了带电荷纳米颗粒的介电弹性体的等效挠曲电效应可表示为
[0038][0039]
其中w是纳米颗粒的浓度系数，a是交联网格的边长尺寸。等效的挠曲电系数μ1可表示为
[0040]
[0041]
由于a～10-9
m,ak～0，可知sin ak≈ak。因此，公式(5)可以化简为：
[0042][0043]
因此，掺杂了可以带电荷的纳米颗粒的介电弹性体的挠曲电系数与纳米颗粒的浓度系数w、纳米颗粒的等效电荷量qe、介电弹性体的网格尺寸以及纳米颗粒束缚在介电弹性体中产生的初始应变梯度k1相关。而初始应变梯度可以由对材料施加预拉伸进行调控。
[0044]
图3是相关的实验验证图，掺杂极化后的带电颗粒的介电弹性体的挠曲电系数提高了两个数量级。