介电弹性体发电机(Dielectric elastomer generator,简称 DEG)是一种利用可变电容器原理进行能量收集的装置,由介电弹性体(Dielectric elastomer,简称DE)薄膜及其上下两侧的柔性电极组成,通过将“拉伸-回复”循环中输入的机械能转换成电能来收集能量。DEG的发电性能受器件结构、电路设计和材料性能等多种因素影响,但DE材料的机电性能是影响DEG发电性能的关键,然而,关于DE材料性能与发电性能之间的关系至今尚缺乏系统研究。本课题首先筛选出满足自制锥形DEG发电要求的DE材料,进而选用拉伸诱导结晶溴化丁基橡胶(BIIR)和非拉伸结晶甲基乙烯基硅橡胶(PMVS)作为基体材料,分别揭示了 DE材料的介电常数和弹性模量对锥形DEG发电性能的影响,具体结论如下:(1)提出了适用于自制锥形DEG的DE材料的机电性能要求:低电导率(≤10-13 S·cm-1)、低介电损耗(<10-1)、高断裂伸长率(≥500%)和较低的弹性模量。这表明尽管高介电常数的DE材料在理论上可以获得较高的发电量,但DE材料良好的绝缘性是发电性能测试的关键前提。(2)探明了BIIR复合材料和PMVS复合材料的机电性能对锥形DEG发电性能的影响,结果表明,单循环发电量和能量密度均与介电常数呈正相关,基本不受弹性模量的影响;在高拉伸位移的前提下,高介电常数且低弹性模量的DE材料的机电转换效率较高。(3)通过制备高介电常数、高电击穿强度、低弹性模量且高断裂伸长率的PMVS复合材料,本论文中介电常数为4.05,弹性模量为0.80MPa的40 phrTiO2/PMVS复合材料在偏置电压U1=5.0 kV、预设位移Z=60 mm时,可以获得最高的能量密度28.60 mJ/g,较高的转换效率8.18%;在U1=7.0 kV、Z=40 mm时可以获得较高的能量密度13.57 mJ/g和最高的转换效率15.38%,这是目前报道的PMVS基锥形DEG最佳的发电性能。因此,为获得高能量密度和高机电转换效率,需要制备出高介电常数、高电击穿强度、低电导率(≤10-13 S·cm-1)、低介电损耗(<10-1)、高断裂伸长率(≥500%)、低弹性模量以及低密度的DE材料,以上结论为高能量收集性能DE材料的设计和制备提供了指导。