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  電場集中現(xiàn)象在電子設(shè)備中普遍存在。其中一個(gè)特殊的例子是尖端放電。雖然一方面在大多數(shù)情況下電場集中被作為問題要盡量避免，但是在另一方面電場集中現(xiàn)象也可以被有效地利用起來。例如，打火裝置，避雷針，海水淡化以及工業(yè)煙囪中的除塵裝置等都利用到了電場集中。

  在水凝膠驅(qū)動(dòng)的介電彈性體驅(qū)動(dòng)器中，水凝膠作為可拉伸透明離子導(dǎo)體，彈性體作為可拉伸透明介電體。在器件工作時(shí)，水凝膠通常需要承受高達(dá)一千伏量級(jí)甚至更高的電壓。目前為止，介電彈性體驅(qū)動(dòng)器中所使用的水凝膠的厚度通常在100微米到1毫米量級(jí)，除了考慮水凝膠的高含水量等因素外，進(jìn)一步考慮由于電極厚度導(dǎo)致的電極邊緣的電場集中問題對(duì)于器件性能的長時(shí)間穩(wěn)定性的影響一直有待研究；特別是當(dāng)器件在高電壓循環(huán)加載的工況下工作時(shí)，這一問題的研究尤為重要。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意a）俯視圖，b）側(cè)視圖；和c）實(shí)物圖。

  現(xiàn)在，鎖志剛教授團(tuán)隊(duì)以溶解有氯化鋰的聚丙烯酰胺水凝膠作為離子導(dǎo)體和聚二甲基硅氧烷作為介電彈性體，針對(duì)水凝膠-彈性體器件中的電場集中現(xiàn)象及器件的穩(wěn)定性展開研究。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖和實(shí)物圖如圖1所示。研究人員首先制備聚二甲基硅氧烷彈性體（10：1）薄膜，對(duì)薄膜進(jìn)行預(yù)拉伸，將其固定到一個(gè)有機(jī)玻璃板的剛性支撐上；然后在彈性體薄膜兩側(cè)對(duì)稱地貼上水凝膠電極。從實(shí)物圖可見，由于聚丙烯酰胺水凝膠和聚二甲基硅氧烷彈性體都十分透明，因此器件也非常透明。彈性體的初始厚度為250微米，在等雙周預(yù)拉伸1.2后，厚度減小至約173微米。預(yù)拉伸后，彈性體的直徑為5厘米；水凝膠的直徑為2厘米，厚度為500微米。

圖2 水凝膠-彈性體器件的疲勞壽命測試

  研究人員首先研究了電場集中對(duì)器件疲勞壽命的影響。在一個(gè)典型的測試中，研究人員給器件施加了頻率為1kHz的正弦電壓，以300V/s的速率逐漸升高電壓至器件擊穿，然后記錄器件擊穿時(shí)的循環(huán)次數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。測試的電極包括不同氯化鋰濃度的聚丙烯酰胺水凝膠以及碳膏。其中，空心的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表示器件擊穿發(fā)生在電極邊緣；實(shí)心的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表示器件擊穿發(fā)生在電極內(nèi)部。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，絕大部分的器件擊穿都發(fā)生在電極邊緣附近，例如，當(dāng)電極為含有1mol/L氯化鋰的聚丙烯酰胺水凝膠時(shí)擊穿發(fā)生在電極附近占94%；當(dāng)電極為碳膏時(shí)為97%。值得一提的是，器件的疲勞壽命測試是在控制濕度的條件下進(jìn)行的，因此，對(duì)于水凝膠電極而言，當(dāng)氯化鋰的濃度較低時(shí)，測試時(shí)相應(yīng)的濕度會(huì)更高，因此器件的壽命較低，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。

圖3 鹽析與局部熱效應(yīng)

  研究人員進(jìn)一步研究了電場集中對(duì)器件在擊穿之前的影響，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)過程中，水凝膠電極的周圍出現(xiàn)了鹽析現(xiàn)象。鹽析從水凝膠電極的最外圍開始發(fā)生，逐步向電極內(nèi)部發(fā)展。發(fā)生鹽析的部分器件發(fā)白。當(dāng)關(guān)閉電壓后，鹽析現(xiàn)象消失，器件又重新變得透明。

  在紅外熱成像儀觀測下，鹽析現(xiàn)象的原因得以揭開。在施加電壓前，器件具有與周圍環(huán)境相似的溫度，最高約為21.9℃。在連續(xù)施加電壓5分鐘后，水凝膠電極周圍的溫度升高到了50.1℃。10分鐘后，局部最高溫度進(jìn)一步升高到了66.6℃。當(dāng)撤去電壓后，水凝膠電極的溫度又重新回到了室溫。

  結(jié)合數(shù)碼相機(jī)的照片和紅外熱成像儀的圖像分析可知，在器件工作時(shí)，水凝膠電極邊緣區(qū)域溫度升高，導(dǎo)致水凝膠失水，從而使得氯化鋰過飽和析出。當(dāng)撤去電壓后，溫度恢復(fù)到室溫。氯化鋰吸收空氣中的水分，重新溶解，因此水凝膠電極重新變得透明。研究人員單獨(dú)將相同的水凝膠電極置于65℃環(huán)境中，確認(rèn)了水凝膠電極在這一溫度下確實(shí)會(huì)發(fā)生鹽析。并且，局部發(fā)熱現(xiàn)象在碳膏驅(qū)動(dòng)的器件中同樣也出現(xiàn)。研究人員進(jìn)一步還研究了電壓的幅值和頻率等因素對(duì)局部發(fā)熱和鹽析現(xiàn)象的影響。

圖4 水凝膠等離子體現(xiàn)象

  那么問題是，究竟是什么原因?qū)е铝怂z電極的局部發(fā)熱和鹽析呢？考慮到空氣的擊穿電壓要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于介電彈性體的擊穿電壓，研究人員提出了假設(shè)：水凝膠電極邊緣的電場集中導(dǎo)致了空氣的擊穿；并設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，如圖4所示。

  在暗室環(huán)境中，當(dāng)器件工作時(shí)，研究人員觀測到了電極周圍的紫光。紫光是由于空氣擊穿產(chǎn)生的。當(dāng)使用碳膏作為電極時(shí)，紫光同樣在電極邊緣出現(xiàn)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證空氣擊穿，作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究人員將電極密封在另一層介電彈性體材料中，這樣在器件工作過程中，由于電極邊緣周圍的介質(zhì)具有與中間介電彈性體相同的擊穿強(qiáng)度，因此，直到器件被擊穿失效之前，電極邊緣周圍不再發(fā)生擊穿。同時(shí)，由于電場集中，因此器件的擊穿強(qiáng)度會(huì)大幅度下降，與實(shí)驗(yàn)觀測一致。

  研究人員認(rèn)為，水凝膠電極邊緣的空氣擊穿時(shí)產(chǎn)生等離子體-水凝膠等離子體。等離子體可以近似等價(jià)于導(dǎo)體，因此等離子體存在的區(qū)域內(nèi)部沒有電場。在等離子體區(qū)域外圍，電場線垂直于其外輪廓線。等離子體區(qū)域的大小與水凝膠電極的厚度尺寸相當(dāng)。一旦空氣擊穿，那么周圍的電場的強(qiáng)度最高只能是空氣的擊穿場強(qiáng)；而這一場強(qiáng)比介電彈性體的擊穿強(qiáng)度要低得多（2個(gè)數(shù)量級(jí)）。因此，空氣擊穿大大降低了電場集中的程度，使得器件在擊穿前可以承受更高的電壓。

  最后，研究人員研究了不同電極厚度下器件的擊穿。盡管在測試范圍內(nèi)，擊穿強(qiáng)度對(duì)厚度沒有明顯的關(guān)聯(lián)性，但是所有具有介電材料密封層的器件的擊穿強(qiáng)度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于沒有密封層的器件的擊穿強(qiáng)度，進(jìn)一步支持了空氣擊穿從而降低電場集中的假設(shè)。

  這一研究工作最近發(fā)表在Extreme Mechanics Letters上。論文第一作者是丹麥科技大學(xué)的博士研究生Justina Vaicekauskaite，曾在哈佛大學(xué)工學(xué)院訪學(xué)；第二作者是楊燦輝博士，曾在哈佛大學(xué)工學(xué)院從事博士后研究，現(xiàn)為南方科技大學(xué)力學(xué)與航空航天工程系助理教授。第三作者為丹麥科技大學(xué)Anne Ladegaard Skov 教授。美國科學(xué)院院士、工程院院士、哈佛大學(xué)鎖志剛教授為通訊作者。

  論文信息與鏈接

  JustinaVaicekauskait, Can Hui Yang, Anne LadegaardSkov, Zhigang Suo, Electric field concentration in hydrogel-elastomer devices, Extreme Mechanics Letters, 2019. 

  https://doi.org/10.1016/j.eml.2019.100597

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352431619302652

  楊燦輝助理教授目前正在組建新團(tuán)隊(duì)，招收推免直博生，碩、博士研究生和博士后等；研究方向包括軟物質(zhì)材料力學(xué)行為，水凝膠器件，軟材料粘接，新型軟材料設(shè)計(jì)與制備，柔性傳感器與驅(qū)動(dòng)器等。同時(shí)長期招收科研助理。歡迎對(duì)相關(guān)研究方向感興趣的同學(xué)郵件聯(lián)系：yangch@sustech.edu.cn。請(qǐng)?jiān)卩]件中做必要的自我介紹。