温度对介电弹性体材料力电耦合变形的影响（固体力学大会文章）

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效。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非常吻合。     

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...     

非饱和介电凝胶的力学性能及力电失稳行为研究

力-电耦合场作用下,介电凝胶的体积、形状会发生相应的变化,在智能传感器与促动器等领域具有广阔的应用前景．浸入溶液中,介电凝胶将吸收溶液而溶胀．当外界溶液的量足够多时,介电凝胶将吸收足量的溶液而达到饱和状态;但如果外界溶液的量较小,没有足够的溶液可被吸收时,介电凝胶将处于非饱和状态．基于介电凝胶大变形与极化理论,对非饱和介电凝胶在等双轴应力与电场耦合作用下的力学行为及力电失稳现象进行研究．结果表明,饱和度越低介电凝胶的刚性越大,材料越硬;预应力技术可以提高介电凝胶的力电稳定性,预应力越大,力电失稳出现时的临界电压值越高．     

介电高弹聚合物力电行为研究与器件设计

相对于人们通常熟悉的金属、陶瓷、玻璃等“硬材料”,“软材料”是自然界、生命体系、日常生活和工程应用中广泛存在的物质体系,例如动植物组织结构、人造聚合物、液晶、胶体、泡沫、颗粒物质等.许多软材料在受外界激励后会发生变形或引发相应的功能响应,这种材料被称为功能软材料(soft active material,SAM).介电高弹聚合物属于典型的功能软材料,通过电压作用,介电高弹聚合物可产生超过100%的应变,并具有轻质量、快反应和高能量密度等优点,在智能仿生、航空航天、机械、新能源等领域有巨大的应用潜力.本学位论文主要研究介电高弹聚合物这一类功能软材料,研究了介电高弹聚合物的失拉、断裂、电击穿、粘弹性、失稳等力电失效和力电耗散现象,通过分析这些现象的产生机理和特性,得到克服或利用介电高弹聚合物特有的力电性能,实现换能器极大电致变形(1692%电致面积变形)、高效能量收集、主动调频振动等性能的理论方案.通过仿真模拟,进行换能器结构与介电高弹聚合物材料的优化设计,在试验上完成介电高弹聚合物换能器在不同工作模式下的高性能实现.     

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。     

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.     

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.      

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。     

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。     

求解力电耦合方程的控制弧长法

静电作用下的柔性薄板是微电机械的核心部件,其控制方程是变形控制方程和静电平衡方程构成的一组非线性耦合方程.本文在分别给出求解这两组方程数值方法的基础上,把控制弧长法进行了合理的推广,变直接加载电压为由构型控制的电压加载方式.结果表明这种方法不仅能够克服收敛性难的问题,而且能够得到致动板吸入失稳后的构形.算例还表明用本方法计算的吸入临界值要比用解析模型得到的临界值更接近实验值.     

应用云纹干涉法测量力电耦合作用下铁电陶瓷的破坏行为

本文采用云纹干涉系统对的电陶瓷在力电耦合载荷作用下裂纹尖端的力学行为进行全场实时非接触动态细观测量,采用三点弯实验获取裂纹尖端区域在力电耦合作用下与电场集中有关的电致伸缩位移场,应变场,通过分析实验取得的云纹图得到了裂尖区域的位移场,应变场,发现裂尖区域就变随着与裂尖距离的增加衰减的速率比没有电场作用下的理论计算结果要快。     

具有线性介电常数的Ogden型介电弹性体的本构关系和机电稳定性

应用多材料常数的Ogden弹性应变能函数分析了介电弹性体的力学行为,研究了介电弹性体的机电稳定性.数值结果表明,通过对材料系数(如材料常数比和电致伸缩系数等)的恰当调节可以使得介电弹性体材料或介电弹性体结构更趋稳定.这些有益于深入理解介电弹性体的机电稳定性行为,进而设计恰当的介电弹性体器件.     

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.     

铁电陶瓷PZT53复杂力电耦合行为的实验研究

通过实验研究了平行和垂直于极化方向的正应力对铁电陶瓷锆钛酸铅(PZT53)的电滞回线(E3-P3)和电致应变曲线(E-ε)的影响. 实验发现平行于极化方向的压应力对PZT53陶瓷的电滞回线、电致应变曲线形状以及矫顽场大小都有明显的影响,但是垂直于极化方向的拉、压应力只对PZT53陶瓷的电致应变曲线形状有明显的影响,但对电滞回线形状和矫顽场大小都没有显著影响. 采用畴翻转的模型详细解释了观察到的实验现象,所得结果为建立铁电陶瓷的多轴力、电耦合本构模型,提供了物理基础.     

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.     

固体电介质中的挠曲电效应

挠曲电效应通常描述为非均匀变形如应变梯度引起的电极化或者电场梯度引起的变形.应变梯度能够局部破坏晶体的反演对称从而在材料中诱导电极化,因此挠曲电效应是固体电介质材料中普遍存在的一种力电耦合效应.应变梯度和电场梯度均随材料尺寸的减小而迅速增大,在宏观尺度通常被忽略的挠曲电效应在微纳尺度反而起着非常重要的作用,会显著影响材料的物理性能.与压电效应和电致伸缩效应相比,挠曲电效应具有独特的尺寸依赖特征,其不受材料对称性和铁电材料居里相变温度的限制.论文综述了固体电介质中的挠曲电效应,并重点从理论、材料和应用方面综述了固体电介质中挠曲电效应的研究进展,对挠曲电效应的独特性能进行了详细地讨论,最后论文展望了固体电介质中挠曲电效应相关研究的开放性问题和发展方向.     

温度变化对热压电介质裂纹尖端力电损伤的影响分析

由连续介质损伤力学的基本理论出发,引入力电损伤变量并建立了一个热压电介质断裂的损伤本构模型.再由虚功原理导出了求解这类含损伤的关于热力电耦合问题的有限元方程.通过数值计算,分析了温度改变对裂纹尖端力电损伤的影响规律.     

考虑挠曲电效应的压电纳米薄板力-电-热耦合特性研究

挠曲电效应是由应变梯度引起的,与尺度相关的力电耦合效应.基于Kirchhoff板假设和挠曲电理论,论文推导了温度和电压作用下的压电薄板力-电-热耦合微分控制方程,定量分析了微分控制方程中非线性项的影响,并针对四周固支压电薄板采用Ritz法求解,数值计算了压电薄板的弯曲和振动行为.在研究温度和挠曲电效应对薄板耦合特性和力学行为的影响时,论文分别考虑了材料系数不随温度变化和随温度线性变化两种情况.以PZT-5H为例,作者讨论了挠曲电和温度对压电薄板的横向位移和固有频率的影响.研究结果表明挠曲电效应对压电纳米薄板的力学行为影响很大,且具有明显的尺寸效应.此外,薄板对温度变化非常敏感.因此,可通过挠曲电效应和温度来调控压电纳米薄板的多场耦合特性和力学行为,进而优化基于压电薄板的NEMS/MEMS中传感器、作动器等电子器件的性能.     

压电材料椭圆夹杂界面开裂问题的电弹性耦合解

本文研究了在反平面剪切和面内电场的共同作用下，压电材料椭圆夹杂的界面开裂问题，假定夹杂是刚性的导体，采用复变函数保角变换和级数展开方法，可确定压电材料基体的复势表达式，进而求得夹杂界面开裂的电弹性耦合的能量释放率。     

定向凝固多晶铁磁形状记忆合金力-温度耦合的实验研究

铁磁形状记忆合金兼具大输出应变与高响应频率等综合特性,是新一代驱动与传感材料。采用定向凝固技术制成的多晶铁磁形状记忆合金具有较多优越的力学性能。本文对温度和应力耦合作用下的定向凝固多晶铁磁形状记忆合金的力学特性进行了实验测试,分别获得了定向凝固多晶Ni-Mn-Ga试样在不同恒定温度时的应力-应变循环曲线,以及试样在压缩时两个互相垂直方向的数字散斑图。结果表明:同一恒定温度时,随着应力循环次数的增加,其应变值逐渐减小;同一压缩应力时,不同温度作用过程中定向凝固方向的应力,随着温度的升高逐渐减小。本文结果可为铁磁形状记忆合金在工程中的应用提供一定的指导作用。