介电弹性材料的机电耦合性能研究

作为一种新型的电活性聚合物,介电弹性材料可被用作柔性致动器。其中材料的介电性能和机械性能是影响其机电耦合致动性能的关键因素。通过实验方法研究了一种典型的介电弹性材料VHB4910在不同温度和频率下的介电常数和弹性模量,基于实验结果分析了该材料的机电耦合性能。结果表明:依赖于频率和温度的弹性模量是影响该介电弹性材料致动变形的主要因素,对致动性能的影响最大可达4个数量级,材料的介电常数对其致动性能的影响相对较小。     

介电弹性球膜的动力稳定性分析

介电弹性体结构具有卓越的力电性能,然而由于其大变形特性,在动态工作模式下极易出现各类失效问题,这极大阻碍了其工程应用.论文研究与力电失稳行为直接相关的理想介电弹性球膜动力稳定性问题.首先据虚功原理建立电压及压力共同作用下关于伸长比的动力学方程,系统自由能由弹性应变能与静电能组成,而前者基于Mooney-Rivlin模型表出.通过系统首次积分解析给出稳态响应峰值与阶跃电压/阶跃压力的关系曲线,其与静态平衡曲线的交点决定了临界电压/临界压力.研究表明:给定任意电压,材料参数存在某阈值,当超过该值后系统始终保持稳定;对于任意非零压力值,存在类似材料参数阈值;而当压力恰为零时,则始终存在临界电压值,超过该值则系统动力不稳定.     

Hamilton体系下介电弹性体圆形薄膜的动力学建模与辛求解

采用辛算法研究了Hamilton体系下介电弹性体圆形薄膜的动力学响应。首先,将该问题引入Hamilton对偶变量体系,借助Legendre变换,给出系统的广义动量和Hamilton函数,通过对Hamilton函数作用量的变分,得到Hamilton体系下的正则方程。其次,对于得到的正则方程给出了辛Runge-Kutta的计算格式。最后,采用二级四阶辛Runge-Kutta算法对动力学系统进行了数值求解,和四级四阶经典Runge-Kutta算法进行对比,结果表明,二级四阶辛Runge-Kutta算法具有保能量以及长时间数值稳定的优势,同时说明四级四阶经典Runge-Kutta算法对于步长依赖的局限性。     

温度对介电弹性体材料力电耦合变形的影响

介电弹性体(Dielectric Elastomer,简称DE)材料是一类在电场激励下可以产生大幅度尺寸或形状变化的新型柔性功能材料.DE材料具有非常宽的温度应用范围,这种宽的温度工作范围和快速大变形性能为各种柔性致动器结构提供了良好的基础,但作为一种粘弹性高分子材料,温度对其性能的影响也是非常明显的.然而到目前为止,所有关于DE材料驱动性能的研究仅局限于室温条件下,温度变化对DE材料力电耦合稳定性的影响几乎没有相关报道.基于此,通过实验研究了温度对最常用的DE材料(VHB 4910,3M)力电耦合变形的影响,结果表明:升高温度可以提高DE材料的力电耦合变形;温度越高,DE材料越容易发生力电耦合失稳.然后,从热力学和粘弹性力学出发,建立了考虑温度影响后的DE材料的粘弹性力电耦合模型,数值模拟理论结果和实验结果定性地吻合.     

介电流变弹性体的电致变形与电流变效应研究

介电弹性体(Dielectric Elastomer,DE)具有显著的电致变形效应,刚度无法调控是制约其应用的关键瓶颈问题.本文将具有电致变模量特性的电流变弹性体(Electrorheological Elas-tomer,ERE)与商用介电弹性体VHB4910层叠复合,并涂覆柔性电板,制备介电流变弹性体(Dielec...     

离子导体驱动的介电弹性体软机器研究进展

基于介电弹性体的软机器在柔性机器人、能量收集、柔性电子等领域有着广泛的应用.传统的介电弹性器件由不透明的流体碳膏电极或其他硬材料制作的电子导体来驱动.可拉伸透明离子导体作为电极驱动介电弹性体时,两种软材料互相结合,为软机器提供了一种独特的实现方式.论文综述了离子导体驱动的介电弹性体软机器的近期研究进展,展望了未来的研究方向和存在的问题.     

基于辛本征值方法的受约束介电弹性体中褶皱不稳定性的分析

辛弹性力学已广泛应用于弹性学中各种边值问题的精确解、计算表面波模式以及预测多层超弹性薄膜中的表面褶皱。本文展示了辛分析框架还可应用于受约束介电弹性体中的表面褶皱。机械和电位移向量是两个基本变量来描述介电弹性体中机械变形与电场紧密耦合。褶皱的临界电压可以通过引入基本变量的对偶变量来从辛本征值问题中解决。本文采用扩展的W-W（Wittrick-Williams）算法和精确的积分方法,准确而高效地解决制定的辛本征值问题的本征值。通过将褶皱电压和波数与有无表面能的褶皱基准结果进行比较,验证了辛分析的有效性。辛分析框架简洁且适用于其他不稳定问题,如分层电介质弹性体、磁弹性不稳定性以及层压复合结构的微观和宏观不稳定性。     

一种新型介电弹性体仿生可调焦透镜的变焦分析

介电弹性体(dielectric elastomer)是电活性聚合物智能材料的一种,在外加电场作用下,可产生多种形式的响应.在驱动柔性透镜的变焦方面,相对于传统的机械操控变焦方法显示出独特的优势.针对一款在电压激励下可高效调节焦距的介电弹性体仿人眼变焦透镜,该透镜由上下两层介电弹性薄膜和固定框架构成,并在封闭腔内充入盐水,上层薄膜涂覆环形柔性电极.在电压激励下,上层膜发生变形,由于盐水的体积保持恒定,引起下层膜随之变形,使得透镜的焦距发生改变.采用neo-Hookean模型,利用变分原理导出了该透镜的控制方程、边界条件和连续条件.利用打靶法求解了该非线性问题并高效地处理了非线性问题的界面连续条件.理论分析结果与实验结果相吻合.利用此模型开展了广泛的参数分析,研究表明,透镜的几何形状、初始焦距、介电弹性体薄膜的预拉伸率、涂覆的电极面积、材料的剪切模量等对透镜焦距的调节性能都有重要的影响.所建立的理论分析模型可为柔性仿生透镜的设计和参数优化提供有效的分析方法.     

电极面积对介电弹性体薄膜电致起皱影响的实验研究

介电弹性体(dielectric elastomers,DE)薄膜在其自身的应变能和外加电场能的相互作用下既能实现大的电致变形,也容易发生失稳起皱。对于单轴预拉伸的介电弹性体薄膜,电极的长度是决定其电致变形的重要参数,同时也可能是影响薄膜起皱的关键因素。为了确定以及量化该影响,本文实验测量了不同电极长度下薄膜的临界起皱电压。同时为了分析薄膜的褶皱特征,测量了不同电压下的褶皱波长。实验结果表明:电极宽度对介电弹性体薄膜的起皱有较大影响;随着电极长度逐渐增大,薄膜的临界起皱电压呈现出先快速减小,随后相对稳定,最后又逐渐升高的趋势。而其褶皱波长随电压升高逐渐减小。实验结果显示,褶皱分布在电极及电极附近,据此分析认为,薄膜的起皱是一种局部效应,电极区与非电极区的相互作用与能量传递对其有较大影响。实验中通过铜丝搭接的方式引出电极能有效解决电极引出线的附加刚度影响薄膜起皱的问题,可为相关实验提供技术参考。     

线性弹性体的工程应力和工程应变的关系

介质在发牛弹性形变时,由于泊松系数的存在,会发生横向变化,使得工程应力和工程应变不相等.而且实际工程测量中比较容易得到的是工程应力和工程应变得测量结果.因此这就有必要研究在线弹性阶段工程应力和工程应变之间的关系.对常见的拉伸和剪切形变情况下弹性体的工程应力与工程应变的关系做一初步的讨论.     

RATE DEPENDENT STRESS-STRETCH RELATION OF DIELECTRIC ELASTOMERS SUBJECTED TO PURE SHEAR LIKE LOADING AND ELECTRIC FIELD

The performance of dielectric elastomer(DE) transducers is significantly affected by viscoelastic relaxation-induced electromechanical dissipations.This paper presents an experimental study to obtain the rate dependent stress-stretch relation of DE membranes(VHB TM 9473) subjected to pure shear like loading and electric loading simultaneously.Stretching rate dependent behavior is observed.The results also show that the tensile force decreases as the voltage increases.The observations are compared with predictions by a viscoelastic model of DE.This experiment may be used for further studies of dynamic electromechanical coupling properties of DEs.     

A FINITE ELEMENT METHOD FOR DIELECTRIC ELASTOMER TRANSDUCERS

We present a finite element method for dielectric elastomer(DE) transducers based on the nonlinear field theory of DE.The method is implemented in the commercial finite element software ABAQUS,which provides a large library functions to describe finite elasticity.This method can be used to solve electromechanical coupling problems of DE transducers with complex configurations and under inhomogeneous deformation.     

基于反求的医疗辅助弹性护具应变能的计算

提出了基于反求工程的医疗辅助弹性护具的设计方法,推导出弹性护具应变能的计算公式. 设计中应用网格简化技术减少扫描数据以及参数化技术将三维转化为二维进行计算,减少了网格点应变能的计算量,提高了设计效率. 应用应变能密度函数建立起弹性护具几何尺寸与应变能之间的关系,为医生或患者科学地选择医疗护具提供了依据.     

THEORY OF DIELECTRIC ELASTOMERS

In response to a stimulus, a soft material deforms, and the deformation provides a function. We call such a material a soft active material （SAM）. This review focuses on one class of soft active materials： dielectric elastomers. When a membrane of a dielectric elastomer is subject to a voltage through its thickness, the membrane reduces thickness and expands area, possibly straining over 100%. The dielectric elastomers are being developed as transducers for broad applications, including soft robots, adaptive optics, Braille displays, and electric generators. This paper reviews the theory of dielectric elastomers, developed within continuum mechanics and thermodynamics, and motivated by molecular pictures and empirical observations. The theory couples large deformation and electric potential, and describes nonlinear and nonequilibrium behavior, such as electromechanical instability and viscoelasticity. The theory enables the finite element method to simulate transducers of realistic configurations, predicts the efficiency of electromechanical energy conversion, and suggests alternative routes to achieve giant voltage-induced deformation. It is hoped that the theory will aid in the creation of materials and devices.     

New phenomenological behavior laws for rubbers and thermoplastic elastomers

A phenomenological study of rubber-like materials undergoing pure homogeneous strain such as uniaxial tension, pure shear and (equi-) biaxial tension, leads to a generalized strain energy density representation for hyperelastic incompressible elastomeric material behavior. Based on experimental observations, an additional decomposition of the strain energy density into two functions, each depending on one of the non-constant principal strain invariants, has been assumed. A new building process of these functions is then proposed combined with a simple and fast parameter identification. The former is progressive and requires only two sets of data. An excellent agreement between theory and experimental data has been observed on numerous experiments. The new model seems particularly well adapted to account for the state of strain response dependence for rubbers as for thermoplastic elastomers.     

介电高弹聚合物理论

软材料受刺激会发生变形, 该变形会引起相应的功能, 这种材料称为活性软材料(soft active material, SAM). 本综述主要讨论介电高弹聚合物这一类活性软材料. 当介电高弹聚合物薄膜受到厚度方向的电压作用时, 薄膜厚度减小同时面积增大, 可导致超过100{%}的应变. 介电高弹聚合物作为转换器被广泛应用, 包括柔性机器人、智能光学器件、盲文显示屏、发电机等. 本文综述了建立在连续介质力学和热力学框架内的、并且基于分子理论描述和经验观测的介电高弹聚合物理论. 该理论耦合了大变形和电势, 描述了非线性和非平衡行为, 如力电失稳和黏弹性. 采用该理论能够通过有限元方法模拟实际构型的转换器, 计算力电能量转换的效率, 给出电致大变形的可行途径. 该理论有助于材料和器件设计.