文章导读
弹性体等软介电材料目前被广泛用作各种电力、电子和电气设备的绝缘材料，而介电强度（也称为介电击穿强度）则是表征这些材料绝缘性能的重要电学参数之一。近年来，介电弹性体（DE）也被开发为驱动器，而其电致变形能力也会受到其介电强度的影响。因此，无论是用作绝缘还是驱动材料，确定弹性体的介电强度都至关重要。事实上，这些弹性体材料大部分都在动态条件下使用，然而对弹性体介电强度的率相关性研究还相对欠缺。
近期，哈尔滨工业大学（深圳）理学院周健友副教授和贾攀副教授课题组在International Journal of Smart and Nano Materials上发表了题为“The rate dependence of the dielectric strength of dielectric elastomers”的论文，研究采用VHB4905作为实验材料，设计了两种不同的样品构型（图1）对粘弹性介电弹性体的介电强度进行了实验测试。分别测试了不同电压加载速率和机械拉伸速率下粘弹性体介电强度的变化规律。并且首次通过一个室内双轴拉伸平台（图1d）对构型B样品（图1b）进行了不同拉伸速率的实验。实验表明，较高的拉伸速率会导致较高的介电强度。研究采用基于构型应力的预测模型很好地解释了介电强度随电压加载速率和机械拉伸速率的变化。这项工作有望帮助其他研究人员更好理解弹性体介电强度的率相关性，并为基于弹性体的器件的优化设计提供指导。
图1. 弹性体样品构型和实验装置的示意图:（a）构型A和样品的相应图像；（b）构型B和样本的相应图像:（c）柔性电极的形状；（d）双轴测试平台示意图
构型A的样品在不同预拉伸比λp以及不同电压
VR加载速率下的介电强度比较如图2（a）所示。对于拉伸比的影响可以用经验公式
进行拟合。可以看出，介电强度随着预拉伸比的增加而增加。对于每个预拉伸比（即λp=2、3和4），将电压加载速率分别设置为50 V/s、200 V/s和800 V/s。如图2（a）所示，在相同的预拉伸比下，电压加载速率的增加会导致更高的介电强度。在λp=4时，介电强度从提高了约30%。由于构型力学张量里包含了能量特性参数，所以这里采用基于构型力学的介电强度预测因子
来描述介电强度的率相关性。如图2（b）所示，拟合结果为
由推导公式可以看出，电压加载速率依赖性本质上反应了材料粘弹性对介电强度的影响。当变形较大时，这种率相关性通常也更明显。
图2. 电压加载速率（分别为50 V/s、200 V/s和800 V/s）对介电强度的影响：（a）介电强度随电压加载速率的增加而增加；（b）介电强度与厚度方向上的构型应力（Σe）的关系
图3. 机械加载速率对VHB 4905弹性体介电强度的影响：（a）介电强度与拉伸比的关系；（b）厚度方向上的构型应力与拉伸比的关系
构型B样品在不同机械加载速率下介电强度变化的实验数据如图3（a）所示，拉伸速率分别设置为分别为0.1 mm/s、1 mm/s和5 mm/s。参考构型A中样品在预拉伸比为2时的击穿电压，柔性电极上施加的电压固定在7kV。由实验结果可以看出，随着拉伸速率的增加，击穿时的拉伸比增加，材料的介电强度提高。从0.1mm/s到5mm/s，介电强度的提高约为35%。换言之，将电压保持在7kV，在较高的拉伸速率下，击穿时的等双轴拉伸比更大。由于材料本身是高度非线性的，所以介电强度的这种提高也是非线性的。 厚度方向上构型应力的变化如图3（b）所示。可以看出，改变机械加载速率实际上改变了构型应力Σe的变化路径，并且导致不同的击穿点。此外与电压加载速率的影响类似，拉伸速率的影响也是由于材料内部的粘弹性导致的。
图4. VHB 4905弹性体在构型A（蓝色三角形）和B（红色正方形）中的介电强度。拟合的预测公式为
图4展示了用基于构型力学的模型
来拟合所有来自构型A和构型B样品的实验数据，最终结果为
由图像可以看出，基于构型应力的预测模型可以很好地描述介电强度的电压和机械加载率相关性的变化趋势。该预测模型有望描述复杂负载条件下介电强度的变化，从而确定弹性体安全的加载条件。
哈尔滨工业大学（深圳）理学院硕士生郑祥和为本文第一作者，周健友副教授和贾攀副教授为共同通讯作者，仲政教授为合作作者。
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引用：
Zheng, X., Zhou, J., Jia, P., & Zhong, Z. (2024). The rate dependence of the dielectric strength of dielectric elastomers. International Journal of Smart and Nano Materials, 15(1), 110–126. https://doi.org/10.1080/19475411.2023.2299411
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期刊介绍
International Journal of Smart and Nano Materials
名誉主编：
杜善义 院士，哈尔滨工业大学
Ken P. Chong 教授，华盛顿大学
主编：
冷劲松 院士，哈尔滨工业大学
International Journal of Smart and Nano Materials是哈尔滨工业大学和Taylor & Francis集团合作出版的开放获取英文期刊，拥有由知名学者组成的国际化编委团队。IJSNM 被Science Citation Index数据库收录，2022年影响因子为3.9。
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