宁波材料所在降低高介电常数弹性体的介电损耗方面取得进展

　　高介电常数弹性体具有柔软、可拉伸、响应快和可靠性高等特点，是一种用途广泛的材料，可应用于人工肌肉、驱动、传感、信息处理和能量存储等领域。弹性体既能适应生物组织的应变，又能在人体运动过程中保持电气稳定性，因此特别适用于可穿戴电子设备。前期，中国科学院宁波材料技术与工程研究所前沿交叉科学研究中心弹性铁电材料与器件课题组报道了在 1 kHz 时介电常数高达 35.4（100 Hz 时介电常数高达 54.2）的本征弹性体（ Advanced Materials, 2024, 36, 2404001），这种弹性体通过利用 “微交联 ”法对与软长链交联的弛豫铁电聚合物进行弹性化，以平衡材料的铁电性和弹性。然而，软长链交联的本征弹性体材料在交变电场下的介电弛豫和高流动性会导致大量能量耗散，从而导致大量介电损耗。从实际应用的角度来说，如在介电驱动器和电容式传感器中，在强场驱动条件下，高介电损耗会导致机电设备产生大量热量，降低设备灵敏度甚至导致设备失效，除此以外，高介电损耗还会出现泄漏电流增大和击穿强度降低等问题，对设备造成不利的影响。因此，找到一种简单有效的策略来降低高介电常数弹性体的介电损耗，对于提高设备寿命、保持高性能、确保可穿戴电子设备的稳定运行至关重要。

　　为了解决上述问题，宁波材料所前沿交叉科学研究中心胡本林研究员带领弹性铁电材料与器件课题组通过采用刚性短链交联剂与弛豫型铁电材料 P(VDF-TrFE-CFE) 进行交联，利用弛豫型铁电材料的弹性化成功设计了一种具有高介电常数低介电损耗的本征弹性体材料。交联P(VDF-TrFE-CFE) 的循环应力-应变曲线下面积变得更小，在60%应变下弹性回复率超过70%。该弹性体材料在室温下（25℃）在1 kHz时具备~35的高介电常数，介电损耗小于0.1。与长链交联剂相比，将材料的介电损耗降低了70%。除此之外，该弹性体材料具备良好的铁电性、压电性和热稳定性，制备的弹性器件在80%的应变下仍具备稳定的铁电响应。

　　相关结果以“Reducing Dielectric Loss of High-Dielectric-Constant Elastomer via Rigid Short-Chain Crosslinking”为题发表于Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202411082）。宁波材料所硕士生李方舟为第一作者，宁波材料所胡本林研究员为通讯作者。该研究得到了浙江省自然科学基金（LR24E030003）、浙江省钱江人才计划（ZJ-QJRC-2020-32）和国家自然科学基金（12172318）等的支持。

　　（论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202411082）

图1 高介电常数和低介电损耗弹性体的设计理念

图2 交联P(VDF-TrFE-CFE) 弹性体的机械特性

图3 交联 P(VDF-TrFE-CFE) 弹性体的铁电特性

　（前沿交叉科学研究中心 李方舟）