Abstract Reducing the operating voltage of dielectric elastomer actuator (DEA) without compromising breakdown strength (Eb) and elasticity has been one of the grand challenges to its practical application in various fields, such as the wearble devices. In this study, novel dielectric elastomers offering intrinsically good integrated performances are achieved by introducing CNT-Al2O3 core-shell nanostructures to form various nanocomposites. Dielectric constants (er) of these nanocomposites show a rapidly increasing with the increase of loading amount of CNT-Al2O3 fillers, while the elastic modulus (Y) and the breakdown strength (Eb) vary slightly. By incorporating 0.9 wt.% CNT-Al2O3 fillers, the dielectric constant and actuation coefficient of the nanocomposite increase more than by 200% compared with the pristine DEA, and the breakdown strength remains above 65 V/μm. Correspondingly, the actuation strain of the 0.9 wt.% composite is 200% higher than that of pristine DEA under the same driving voltage. For the same actuation strain or deflection, the required driving voltage of the actuator made of CNT-Al2O3 nanostructure-based composite is only 50% of that of pristine DEA. Consequently, the achieved balance among a high er, high Eb, and stable Y in our system can assure a high actuation strain under a low driving field, stable stiffness, and improved safety for DEA. In addition, since the tunable electromechanical sensitivity encompasses a wide range, the as-prepared nanocomposites offer an alternative candidate to fabricate the smart devices integrated with various strain components by modulating the composition of the materials.

中文翻译：

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使用核壳结构的 CNT-Al2O3 提高介电弹性体的驱动应变和击穿强度

摘要 在不影响击穿强度 (Eb) 和弹性的情况下降低介电弹性体执行器 (DEA) 的工作电压一直是其在可穿戴设备等各个领域实际应用的重大挑战之一。在这项研究中，通过引入 CNT-Al2O3 核壳纳米结构来形成各种纳米复合材料，实现了具有内在良好集成性能的新型介电弹性体。这些纳米复合材料的介电常数 (er) 随着 CNT-Al2O3 填料负载量的增加而迅速增加, 而弹性模量 (Y) 和击穿强度 (Eb) 略有变化。通过加入 0.9 wt.% 的 CNT-Al2O3 填料，与原始 DEA 相比，纳米复合材料的介电常数和驱动系数增加了 200% 以上，击穿强度保持在 65 V/μm 以上。相应地，在相同驱动电压下，0.9 wt.% 复合材料的驱动应变比原始 DEA 的驱动应变高 200%。对于相同的致动应变或偏转，由 CNT-Al2O3 纳米结构基复合材料制成的致动器所需的驱动电压仅为原始 DEA 的 50%。因此，在我们的系统中实现的高 er、高 Eb 和稳定 Y 之间的平衡可以确保在低驱动场下的高致动应变、稳定的刚度和提高 DEA 的安全性。此外，由于可调谐的机电灵敏度范围很广，所制备的纳米复合材料提供了一种替代候选材料，可以通过调节材料的成分来制造与各种应变组件集成的智能设备。相应地，在相同驱动电压下，0.9 wt.% 复合材料的驱动应变比原始 DEA 的驱动应变高 200%。对于相同的致动应变或偏转，由 CNT-Al2O3 纳米结构基复合材料制成的致动器所需的驱动电压仅为原始 DEA 的 50%。因此，在我们的系统中实现的高 er、高 Eb 和稳定 Y 之间的平衡可以确保在低驱动场下的高致动应变、稳定的刚度和提高 DEA 的安全性。此外，由于可调谐的机电灵敏度范围很广，所制备的纳米复合材料提供了一种替代候选材料，可以通过调节材料的成分来制造与各种应变组件集成的智能设备。相应地，在相同驱动电压下，0.9 wt.% 复合材料的驱动应变比原始 DEA 的驱动应变高 200%。对于相同的致动应变或偏转，由 CNT-Al2O3 纳米结构基复合材料制成的致动器所需的驱动电压仅为原始 DEA 的 50%。因此，在我们的系统中实现的高 er、高 Eb 和稳定 Y 之间的平衡可以确保在低驱动场下的高致动应变、稳定的刚度和提高 DEA 的安全性。此外，由于可调谐的机电灵敏度范围很广，所制备的纳米复合材料提供了一种替代候选材料，可以通过调节材料的成分来制造与各种应变组件集成的智能设备。在相同的驱动电压下，%复合比原始DEA高200%。对于相同的致动应变或偏转，由 CNT-Al2O3 纳米结构基复合材料制成的致动器所需的驱动电压仅为原始 DEA 的 50%。因此，在我们的系统中实现的高 er、高 Eb 和稳定 Y 之间的平衡可以确保在低驱动场下的高致动应变、稳定的刚度和提高 DEA 的安全性。此外，由于可调谐的机电灵敏度范围很广，所制备的纳米复合材料提供了一种替代候选材料，可以通过调节材料的成分来制造与各种应变组件集成的智能设备。在相同的驱动电压下，%复合比原始DEA高200%。对于相同的致动应变或偏转，由 CNT-Al2O3 纳米结构基复合材料制成的致动器所需的驱动电压仅为原始 DEA 的 50%。因此，在我们的系统中实现的高 er、高 Eb 和稳定 Y 之间的平衡可以确保在低驱动场下的高致动应变、稳定的刚度和提高 DEA 的安全性。此外，由于可调谐的机电灵敏度范围很广，所制备的纳米复合材料提供了一种替代候选材料，可以通过调节材料的成分来制造与各种应变组件集成的智能设备。由 CNT-Al2O3 纳米结构基复合材料制成的执行器所需的驱动电压仅为原始 DEA 的 50%。因此，在我们的系统中实现的高 er、高 Eb 和稳定 Y 之间的平衡可以确保在低驱动场下的高致动应变、稳定的刚度和提高 DEA 的安全性。此外，由于可调谐的机电灵敏度范围很广，所制备的纳米复合材料提供了一种替代候选材料，可以通过调节材料的成分来制造与各种应变组件集成的智能设备。由 CNT-Al2O3 纳米结构基复合材料制成的执行器所需的驱动电压仅为原始 DEA 的 50%。因此，在我们的系统中实现的高 er、高 Eb 和稳定 Y 之间的平衡可以确保在低驱动场下的高致动应变、稳定的刚度和提高 DEA 的安全性。此外，由于可调谐的机电灵敏度范围很广，所制备的纳米复合材料提供了一种替代候选材料，可以通过调节材料的成分来制造与各种应变组件集成的智能设备。并提高了 DEA 的安全性。此外，由于可调谐的机电灵敏度范围很广，所制备的纳米复合材料提供了一种替代候选材料，可以通过调节材料的成分来制造与各种应变组件集成的智能设备。并提高了 DEA 的安全性。此外，由于可调谐的机电灵敏度范围很广，所制备的纳米复合材料提供了一种替代候选材料，可以通过调节材料的成分来制造与各种应变组件集成的智能设备。