一、研究背景

介电弹性体（DE）是一种新型复合材料结构，能够产生较大的致动应变，并能形成各种致动器配置。然而，DE致动器的高电压要求限制了其在各种应用中的应用。由 DE 纤维组成的纤维致动器尤其具有吸引力，因为它们可以组成人工肌肉结构，实现高致动力和潜在的大位移。与使用人工肌肉的潜在设备概念相比，DE 纤维具有几个重要优势。这些优势包括快速响应时间（毫秒级）、在直流激活下保持应变的能力、可诱发相对较大的致动力、具有较高的机械能密度，以及可在室温下运行大量循环。由于微米或纳米级复合纤维可应用于组织工程、过滤、药物输送、催化、防护纺织品和传感器等领域，人们对制造微米或纳米级复合纤维的兴趣与日俱增。人们已经探索了拉丝、自组装、模板直接合成和电纺丝等工艺来制造这些纤维。电纺丝之所以被提出，是因为它能够生产直径小于毫米的纤维。电纺丝技术曾被用于生产直径小于 40 纳米的纳米纤维，并以下列不同的方法制造出了单轴排列的纳米纤维。

为了深入了解控制电纺丝过程的各种因素，人们对电纺丝过程的数学建模进行了大量研究。有人提出了一种模拟薄型带电射流的边界元方法，用于计算射流和电极之间的静电相互作用。对短程和长程静电力进行了评估，并与实验结果进行了比较。有人提出了离散有限差分珠模型，用于模拟聚合物粘弹性射流的弯曲不稳定性。此前，有人使用数学方法对电纺过程中有限长度空心圆柱体产生的次级静电场进行建模。最近还提出了基于 Box-Behnken 设计的人工神经网络和响应面方法，以生产最小直径的纤维。在这种方法中，通过训练多层感知器神经网络来预测聚己内酯纤维的直径。最近的方法还考虑了空气阻力和重力的影响，以及溶剂蒸发的影响。

在本文中，我们从理论和实验两方面研究了利用电纺丝工艺生产介电弹性体纤维过程中可以调节的参数。在电纺丝装置中，静电场作用于电极尖端的粘性聚合物溶液。聚合物被挤出并加速流向收集器。图 1 展示了典型的电纺丝喷射轨迹。本研究考虑的因素包括聚合物浓度、溶液粘度、流速、电场强度以及到收集器的距离。

图1.电纺丝射流轨迹。

二、摘要

介电弹性体（DE）是一种新型复合材料结构，能够产生较大的致动应变，并能形成各种致动器配置。然而，DE致动器的高电压要求限制了其在各种应用中的应用。由 DE 纤维组成的纤维致动器尤其具有吸引力，因为它们可以形成人造肌肉结构。由于可应用于组织工程、过滤、药物输送、催化、防护纺织品和传感器等领域，人们对制造微型或纳米级 DE 纤维的兴趣与日俱增。为制造这些纤维，人们探索了拉丝、自组装、模板直接合成和电纺丝工艺。电纺丝之所以被提出，是因为它能够生产直径小于毫米的纤维。本文研究了电纺丝参数对生产复合介电弹性体纤维的影响。在电纺丝装置中，静电场作用于电极尖端的粘性聚合物溶液。带有碳黑和碳纳米管的聚合物复合材料被挤出并加速流向收集器。本研究考虑的因素包括聚合物浓度、溶液粘度、流速、电场强度以及到收集器的距离。

三、结论

在这项工作中，我们分析了各种条件下的电纺丝过程，并利用数值分析来指导生产稳定电纺介电弹性体纤维的过程。实验结果表明了所生产的纤维。这项研究的主要目的是研究如何对加工参数进行建模，以及建模对电纺工艺的影响。后续的 DE 纤维表征工作将需要足够多的试样来产生具有统计意义的结果，不仅需要包括不同长度纤维的几何特征，还需要包括对 DE 纤维成功与否至关重要的机械和电气性能。多功能开源平台的模拟结果表明，如果喷嘴半径大于 300 μm，则射流的纤维半径与电压、集电极距离、粘度和喷嘴半径密切相关。此外，当工艺中加入气流速度时，纤维半径会随时间变化，其尺寸也会减小。振荡电场对纤维半径的影响很大。矩形波产生的电场会导致纤维的半径发生显著变化，但在电场静止时，纤维的尺寸不会发生很大变化。在旋转电场的情况下，特定频率的纤维半径可能会随时间而变化。对于其他频率，光纤半径可能几乎保持不变，并且与静态电场和矩形波相比更小。这类模型适用于定性描述，而不是精确定量地再现实验。基于模拟的稳定参数允许电纺丝导电填充聚合物的纤维直径始终保持在 2 μm 左右。在模拟中，我们使用喷嘴半径 1/5 的经验缩减因子来设置初始射流截面。在今后的研究中，我们应考虑不同聚合物流体的其他缩减因子，这需要使用高速成像技术进行系统研究，以捕捉喷嘴处的实际效果。这样的实验可以用来更好地了解喷嘴附近流体的行为。未来的研究还应重点调查溶剂蒸发和分子链运动的影响，并在模拟中考虑它们的影响。

 

图2.(a) 溶液电纺纯 A85 纤维；(b) 低倍放大镜下的挤压纯 A85 纤维；(c) 高倍放大镜下的 A85 纤维；(d) 含有 A85 内芯的 2 层纤维的扫描电镜图像，其中碳黑（e-g）截面示例显示了由于刀片压缩而产生的巨大变形。