Влияние наполнителя на деформацию полидиметилсилоксановых композитов под действием электрического поля

Аннотация

Рассмотрены некоторые аспекты создания новых стимул-чувствительных материалов, обратимо деформируемых под действием электрического поля за счет возникновения давления Максвелла. Для повышения отклика материала на внешний стимул изготовлены полимерные композиты с наполнителями различной природы и формы: порошки железа, монтмориллонита и целлюлозы. Приготовлены композиционные высокоэластические пленки на основе вулканизованных полидиметилсилоксановых каучуков, содержащих 5 % (масс.) наполнителя. Морфология частиц наполнителя изучена методами электронной микроскопии. В результате испытаний на одноосное растяжение определены механические свойства материалов: модуль Юнга и коэффициенты для трехпараметрического упругого потенциала Йо до значения деформации 800 %. Исследованы электрофизические свойства пленок, их отклик на приложение электрического поля при различных значениях напряженности (0,84 и 2,5 кВ/мм). Установлено влияние природы наполнителя на проводимость и диэлектрическую проницаемость композиционных материалов. Данные механических и диэлектрических исследований характерны для композиционных материалов с концентрацией наполнителя ниже порога перколяции. Установлено, что композит с целлюлозой проявляет наибольший отклик на внешний стимул, определяемый балансом следующих факторов: модулем Юнга и значениями электрофизических характеристик. Определены направления дальнейших исследований и рассмотрены перспективы создания диэлектрических эластомеров с заранее заданными свойствами

Исследование выполнено в рамках Госзадания НИЦ "Курчатовский институт"

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Кузнецов Н.М., Банин Е.П., Крупнин А.Е. и др. Влияние наполнителя на деформацию полидиметилсилоксановых композитов под действием электрического поля. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2022, № 6 (105), с. 123--143. DOI: https://doi.org/10.18698/1812-3368-2022-6-123-143

Литература

[1] Acome E., Mitchell S.K., Morrissey T.G., et al. Hydraulically amplified self-healing electrostatic actuators with muscle-like performance. Science, 2018, vol. 359, no. 6371, pp. 61--65. DOI: https://doi.org/10.1126/science.aao6139

[2] Qiu Y., Zhang E., Plamthottam R., et al. Dielectric elastomer artificial muscle: materials innovations and device explorations. Acc. Chem. Res., 2019, vol. 52, iss. 2, pp. 316--325. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.accounts.8b00516

[3] Shintake J., Cacucciolo V., Floreano D., et al. Soft robotic grippers. Adv. Mater., 2018, vol. 30, iss. 29, art. 1707035. DOI: https://doi.org/10.1002/adma.201707035

[4] Mannsfeld S.C.B., Tee B.C.-K., Stoltenberg R.M., et al. Highly sensitive flexible pressure sensors with microstructured rubber dielectric layers. Nature Mater., 2010, vol. 9, no. 10, pp. 859--864. DOI: https://doi.org/10.1038/nmat2834

[5] Araromi O.A., Rosset S., Shea H.R. High-resolution, large-area fabrication of compliant electrodes via laser ablation for robust, stretchable dielectric elastomer actuators and sensors. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, vol. 7, iss. 32, pp. 18046--18053. DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.5b04975

[6] Cacucciolo V., Shintake J., Kuwajima Y., et al. Stretchable pumps for soft machines. Nature, 2019, vol. 572, pp. 516--519. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-019-1479-6

[7] Park J., Choi S., Janardhan A.H., et al. Electromechanical cardioplasty using a wrapped elasto-conductive epicardial mesh. Sci. Transl. Med., 2016, vol. 8, no. 344, p. 344ra86. DOI: https://doi.org/10.1126/scitranslmed.aad8568

[8] O’Halloran A., O’Malley F., McHugh P. A review on dielectric elastomer actuators, technology, applications, and challenges. J. Appl. Phys., 2008, vol. 104, iss. 7, art. 071101. DOI: https://doi.org/10.1063/1.2981642

[9] Liu Y., Liu L., Zhang Z., et al. Dielectric elastomer film actuators: characterization, experiment and analysis. Smart Mater. Struct., 2009, vol. 18, no. 9, art. 095024. DOI: https://doi.org/10.1088/0964-1726/18/9/095024

[10] He J., Chen Z., Xiao Y., et al. Intrinsically anisotropic dielectric elastomer fiber actuators. ACS Materials Lett., 2022, vol. 4, no. 3, pp. 472--479. DOI: https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.1c00742

[11] Gerratt A.P., Balakrisnan B., Penskiy I., et al. Dielectric elastomer actuators fabricated using a micro-molding process. Smart Mater. Struct., 2014, vol. 23, no. 5, art. 055004. DOI: https://doi.org/10.1088/0964-1726/23/5/055004

[12] Akbari S., Rosset S., Shea H.R. More than 10-fold increase in the actuation strain of silicone dielectric elastomer actuators by applying prestrain. EAPAD, 2013, art. 86871P. DOI: https://doi.org/10.1117/12.2009912

[13] Zakaria S., Morshuis P.H.F., Benslimane M.Y., et al. The electrical breakdown strength of pre-stretched elastomers, with and without sample volume conservation. Smart Mater. Struct., 2015, vol. 24, no. 5, art. 055009. DOI: https://doi.org/10.1088/0964-1726/24/5/055009

[14] Caspari P., Dunki S.J., Nuesch F.A., et al. Dielectric elastomer actuators with increased dielectric permittivity and low leakage current capable of suppressing electromechanical instability. J. Mater. Chem. C, 2018, vol. 6, no. 8, pp. 2043--2053. DOI: https://doi.org/10.1039/c7tc05562e

[15] Sheima Y., Caspari P., Opris D.M. Artificial muscles: dielectric elastomers responsive to low voltages. Macromol. Rapid Commun., 2019, vol. 40, no. 16, art. 1900205. DOI: https://doi.org/10.1002/marc.201900205

[16] Liu P., Li L., Wang L., et al. Effects of 2D boron nitride (BN) nanoplates filler on the thermal, electrical, mechanical and dielectric properties of high temperature vulcanized silicone rubber for composite insulators. J. Alloys Compd., 2019, vol. 774, pp. 396--404. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.10.002

[17] Yang D., Zhang L., Liu H., et al. Lead magnesium niobate-filled silicone dielectric elastomer with large actuated strain. J. Appl. Polym. Sci., 2012, vol. 125, no. 3, pp. 2196--2201. DOI: https://doi.org/10.1002/app.36428

[18] Zhao H., Zhang L., Yang M.H., et al. Temperature-dependent electro-mechanical actuation sensitivity in stiffness-tunable BaTiO₃/polydimethylsiloxane dielectric elastomer nanocomposites. Appl. Phys. Lett., 2015, vol. 106, no. 9, art. 092904. DOI: https://doi.org/10.1063/1.4914012

[19] Ruan M., Yang D., Guo W., et al. Improved electromechanical properties of brominated butyl rubber filled with modified barium titanate. RSC Adv., 2017, vol. 7, no. 59, pp. 37148--37157. DOI: https://doi.org/10.1039/c7ra05667b

[20] Jiang L., Kennedy D., Jerrams S., et al. Enhancement of dielectric properties with the addition of bromine and dopamine modified barium titanate particles to silicone rubber. MRS Communications, 2016, vol. 6, no. 4, pp. 437--441. DOI: https://doi.org/10.1557/mrc.2016.53

[21] Liu H., Zhang L., Yang D., et al. Mechanical, dielectric, and actuated strain of silicone elastomer filled with various types of TiO₂. Soft Materials, 2013, vol. 11, no. 3, pp. 363--370. DOI: https://doi.org/10.1080/1539445X.2012.661821

[22] Zhang Y.Y., Wang G.L., Zhang J., et al. Preparation and properties of core-shell structured calcium copper titanate@polyaniline/silicone dielectric elastomer actuators. Polym. Compos., 2017, vol. 40, no. S1, pp. E62--E68. DOI: https://doi.org/10.1002/pc.24479

[23] Wang G.L., Zhang Y.Y., Duan L., et al. Property reinforcement of silicone dielectric elastomers filled with self-prepared calcium copper titanate particles. J. Appl. Polym. Sci., 2015, vol. 132, no. 39, art. 42613. DOI: https://doi.org/10.1002/app.42613

[24] Panahi-Sarmad M., Chehrazi E., Noroozi M., et al. Tuning the surface chemistry of graphene oxide for enhanced dielectric and actuated performance of silicone rubber composites. ACS Appl. Electron. Mater., 2019, vol. 1, no. 2, pp. 198--209. DOI: https://doi.org/10.1021/acsaelm.8b00042

[25] Tian M., Wei Z., Zan X., et al. Thermally expanded graphene nanoplates/polydimethylsiloxane composites with high dielectric constant, low dielectric loss and improved actuated strain. Compos. Sci. Technol., 2014, vol. 99, pp. 37--44. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2014.05.004

[26] Liu L., Lei Y., Zhang Z., et al. Fabrication of PDA@SiO₂@rGO/PDMS dielectric elastomer composites with good electromechanical properties. React. Funct. Polym., 2020, vol. 154, art. 104656. DOI: https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2020.104656

[27] Rackl M. Material testing and hyperelastic material model curve fitting for Ogden, Polynomial and Yeoh models. Proc. ScilabTEC, 2015. DOI: http://dx.doi.org/10.13140/RG.2.2.29552.25600/1

[28] Ploehn H.J., Liu C. Quantitative analysis of montmorillonite platelet size by atomic force microscopy. Ind. Eng. Chem. Res., 2006, vol. 45, no. 21, pp. 7025--7034. DOI: https://doi.org/10.1021/ie051392r

[29] Kuznetsov N.M., Shevchenko V.G., Stolyarova D.Y., et al. Dielectric properties of modified montmorillonites suspensions in polydimethylsiloxane. J. Appl. Polym. Sci., 2018, vol. 135, no. 32, art. 46614. DOI: https://doi.org/10.1002/app.46614

[30] Bogdanova O.I., Chvalun S.N. Polysaccharide-based natural and synthetic nanocomposites. Polym. Sci. Ser. A, 2016, vol. 58, no. 5, pp. 629--658. DOI: https://doi.org/10.1134/S0965545X16050047

[31] Bogdanova O.I., Istomina A.P., Chvalun S.N. Composites based on chitin nanoparticles and biodegradable polymers for medical use: preparation and properties. Nanotechnol. Russia, 2021, vol. 16, no. 1, pp. 42--68. DOI: https://doi.org/10.1134/s2635167621010031

[32] Kuznetsov N.M., Bakirov A.V., Banin E.P., et al. In situ X-ray analysis of montmorillonite suspensions in polydimethylsiloxane: orientation in shear and electric field. Colloids Surf. A Physicochem. Eng. Asp., 2021, vol. 622, art. 126663. DOI: https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2021.126663

[33] Kuznetsov N.M., Kovaleva V.V., Zagoskin Y.D., et al. Specific features of the porous polymeric particle composites application as fillers for electrorheological fluids. Nanotechnol. Russia, 2021, vol. 16, no. 6, pp. 840--846. DOI: https://doi.org/10.1134/S2635167621060148

[34] Белкин А.Е., Даштиев И.З., Костромицких А.В. Определение параметров упругости полиуретана при больших деформациях по результатам испытаний образцов на кручение и растяжение. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2016, № 8, с. 3--10. DOI: https://doi.org/10.18698/0536-1044-2016-8-3-10

[35] Xavier M.S., Fleming A.J., Yong Y.K. Finite element modeling of soft fluidic actuators: overview and recent developments. Adv. Intell. Syst., 2021, vol. 3, no. 2, art. 2000187. DOI: https://doi.org/10.1002/aisy.202000187

[36] Vdovichenko A.Y., Kuznetsov N.M., Shevchenko V.G., et al. The role of charge states in the self-organization of detonation nanodiamonds nanoparticles. Diam. Relat. Mater., 2020, vol. 107, art. 107903. DOI: https://doi.org/10.1016/j.diamond.2020.107903

[37] Kuznetsov N.M., Vdovichenko A.Y., Bakirov A.V., et al. The size effect of faceted detonation nanodiamond particles on electrorheological behavior of suspensions in mineral oil. Diam. Relat. Mater., 2022, vol. 125, art. 108967. DOI: https://doi.org/10.1016/j.diamond.2022.108967