介电弹性体材料被认为是最有前景的“人造肌肉”材料。其中,由于热塑性聚氨酯弹性体具有微相分离结构,且具有优异的结构调控性、加工成型性、力学性能和电性能的可调控性,热塑性聚氨酯介电弹性体材料受到广泛的关注。然而,聚氨酯介电弹性体的高模量和低介电常数限制了其在介电弹性体器件中的实际应用。本文从分子结构的设计和多尺度结构调控出发,通过改变合成方法、扩链剂、和硬段含量以及与极性小分子共混的方法,调控聚氨酯弹性体的力学性能和介电性能,并采用红外光谱、拉力测试仪、差示扫描量热法、原子力显微镜、阻抗分析测试仪、同步辐射二维掠入射广角/小角X射线散射等测试手段进行表征;研究了制备方法、扩链剂、硬段含量和小分子共混对聚氨酯介电弹性体的微相分离和结晶行为的影响以及其多尺度结构与力学、介电性能之间的关系。研究结果表明:(1)在聚己内酯二元醇(PCL)为软段、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)和丁二醇(BDO)为硬段的聚氨酯弹性体体系中,随着硬段含量增加,聚氨酯硬段的的结晶度、微相分离程度提高、断裂伸长率降低、模量显著增加,而软段的结晶被限制。另一方面,由于聚氨酯的介电常数受到软段结晶的影响,当硬段含量为20%时表现最高的介电常数,100 Hz时为6.0;而机电灵敏度因子在硬段含量为15%时表现最高,达到2.0。(2)通过改变投料顺序,改变了硬段的序列长度和分布;与传统的两步法相比,含长的硬段序列长度的新两步法合成的聚氨酯具有更好的微相分离程度、其模量更高;然而介电常数变小,机电灵敏度因子变低。(3)不同扩链剂结构的聚氨酯弹性体中,扩链剂的立体异构体结构对聚氨酯弹性体的微相分离和软硬段结晶行为有重要的影响。顺、反混合异构体的扩链剂与相应的单一异构体的扩链剂(顺式或反式)相比,表现出更低的模量和更高的介电常数,这是因为顺反混合异构体扩链剂的引入,使硬段之间的堆积变难,导致硬段之间的氢键作用变弱和硬软段的微相分离程度变差。在1,4-丁烯二醇顺反异构体混合物、顺式1,4-丁烯二醇、1,4-环己烷二甲醇顺反异构体混合物和反式1,4-环己烷二甲醇为扩链剂的聚氨酯弹性体中,1,4-环己烷二甲醇(顺反混合物)样品(CHDM)的模量最低,具有最高的机电灵敏度因子(在100 Hz下0.65)。(4)在聚氨酯弹性体/有机小分子共混体系中,有机小分子与聚氨酯链的相互作用改变聚氨酯弹性的微相分离结构,从而影响力学性能和介电性能;在甲基环己二胺(HTDA)、4,5-二氯邻苯二胺(4,5-DOPD)、山梨醇(SORBITOL)和尿素(Urea)中,4,5-DOPD改性的聚氨酯弹性体的介电常数最高,比纯聚氨酯弹性体提高了约231%。当4,5-DOPD的添加含量为15%时,机电灵敏度因子达到2.5,比纯聚氨酯提高了250%。