介电弹性体驱动器动态电压下的变形特征及击穿行为研究

针对介电弹性体(DE)驱动器驱动性能难以预测的问题,以VHB4910薄膜为待测DE材料,圆形DE驱动器作为研究对象,针对低频条件下(0.1～10Hz)DE驱动器的动态变形与击穿行为展开了实验研究。搭建了力电耦合实验测试平台,通过实验归纳了驱动电压参数对DE驱动器动态变形和击穿的影响规律。实验结果表明:DE驱动器的动态变形平衡位置受到电压幅值的影响,动态变形的振幅则受到电压频率和幅值的共同制约。动态击穿电压的数值分散性强,难以得到明显的规律特征,因此不能准确对动态击穿行为进行表征,而通过实验发现DE驱动器能承受的电压循环周期数会受到多种驱动电压参数的显著影响,故提出采用电压循环周期数对动态击穿行为进行分析。借鉴机械循环载荷下的经典疲劳曲线方程,提出利用名义静电应力幅值代替机械应力幅值、对DE驱动器在动态电压下的电致疲劳寿命曲线进行拟合的方法,以期为动态电压作用下DE驱动器的寿命预测提供一种新思路。     

介电弹性体发电实验研究

介电弹性体功能材料是具有优异性能的新型电场活化聚合物,特别适于针对低频、大变形的能量源而发电的场合。本文依据介电弹性体薄膜材料的结构特征,讨论了介电弹性体材料发电的基本机理,通过实验,分析了发电过程中弹性体材料面积大小对发电效率的影响,为介电弹性体材料在发电中的应用提供了依据。     

基于介电弹性体面积应变特性的实验研究

电场活化聚合物在直流电场作用下会产生大幅度的应变,通过本次实验研究影响介电弹性体材料激活区(电极涂层区域)面积应变的主要因素,寻找激活区面积应变和这些影响因素之间的关系,进而根据它们之间的关系确定能获得所需激活区面积应变的合适条件.文中对材料分别从单轴预拉伸、均匀双轴预拉伸、非均匀双轴预拉伸等方面作实验分析.     

介电弹性体复合材料的热力学和热机电稳定性

本文研究了硅橡胶介电弹性体复合材料的热力学和热机电稳定性.考虑温度、掺杂和电致伸缩变形的耦合影响,建立介电弹性体复合材料的介电常数模型,从而构建系统的电场能,基于此耦合发展的Ogden模型研究复合材料的热力学性能和热机电稳定性性能.结果表明,当电致伸缩系数减小,或材料常数比减小,或温度增加,或唯象学参数增加,或电致伸缩系数比增加时,介电弹性体临界名义电场增加,从而热力学系统的稳定性增强.这些结论对于硅橡胶纳米复合材料的设计和制备及其应用器件研究有巨大帮助.     

新型人工关节驱动器材料研究

较之传统的气动驱动器、形状记忆合金及压电陶瓷,电致活性聚合物（EAPs）,特别是介电弹性体（DE）已经表现出众多优点。介电弹性体在外电场作用下变形大且性能与生物肌肉类似,在人工关节驱动器领域具有极大应用潜力。本文主要介绍介电弹性体在电场驱动下响应的基本原理及特性,将介电弹性体与生物肌肉进行比较,研究介电弹性体性能参数,以用于指导介电弹性体驱动器的设计。     

温度对介电弹性体材料致动器动态性能的影响

介电弹性体材料(Dielectric Elastomer,简称DE)具有很强的粘弹性,由于DE材料的粘弹性具有时间依赖关系,从而使其应力-应变也具有时间依赖性,因此动态变形中,其能量转换、宏观变形等特性也必然受到粘弹性的影响。同时,DE的粘弹性和介电常数具有很强的温度依赖性。通过引入温度对介电常数、弹性模量和粘弹性松弛的影响,并结合DE的粘弹性力学模型和欧拉-拉格朗日方程,构建了不同环境温度场下的DE系统的动力学控制方程。最后,通过数值模拟,分析了温度对DE材料致动器动态性能的影响。研究结果能为DE致动器的结构设计和动态变形控制提供理论指导。     

时域介电谱及其慢响应的应用

简述介电谱领域的测量方法，重点介绍时域介电谱的描述方法及其应用，说明慢响应将成为研究物质中微观运动信息的有力手段。     

具有组分梯度的复合体系的介电响应

利用二次均质化的近似理论,研究具有组分梯度复合膜的有效介电响应,推导梯度复合膜的有效介电常数。首先,运用Bruggman有效媒质理论,得到梯度膜的z层的等效介电常数。其次,均质化整个梯度膜,求出整个梯度膜的有效介电常数。为突出梯度效应,研究在相同总体积分数的情况下,梯度构型p（z）=a（z/w）m对梯度复合膜的有效介电常数的影响。     

带壳球形粒复合介质的有效介电响应

本文对线性（或非线性）的带壳球形颗粒分布于一线性基质的复全介质的线性（或非线性）有效人电响应进行研究了，以胶的研究表明，在与核和壳的介电性质有关的条件下，这种三元复合体系（带壳）可等价于一个二元体系（不带壳），然而，研究结果表明，当壳和基质的介电性质满足一定条件时，该三元复合体系也能等价于无壳实心颗粒无规分布于原来的基质中的一个二元复合体系，这个等效的无壳实心球颗粒半径比上述三元复合体系中的球核颗     

电致动聚合物致动器的动态响应研究

采用电场型电致动聚合物--介电弹性体(DE)制作了一种圆形致动器,在交流电压和直流脉动电压驱动下,分别研究了电压波形、幅值和频率的位移响应情况.实验结果表明,当幅值和频率相同、波形不同时,DE薄膜的驱动位移相差较大,在方波、正弦波和三角波电压下,其驱动位移依次减小.随着频率的增高,驱动位移的递减速度依次增大.当电压波形相同时,位移随电压幅值的增加而增大,随频率的增高而减小,均呈非线性关系,并且直流脉动电压比交流电压的驱动过程稳定.对比双向预拉伸2×2、3×3、4×4倍的DE致动器电致动实验结果可知,预拉伸4×4倍的DE致动器所需的驱动电场强度比预拉伸2×2倍和3×3倍的DE致动器所需的驱动电场强度高,从变形过程的稳定性、响应速度以及稳定变形条件下DE致动器所能承受的频率来看,预拉伸4×4倍的DE致动器优于预拉伸2×2倍和3×3倍的DE致动器.     

新型弹簧支撑介电弹性作动器的力学特性建模及参数影响分析

为了研究新型弹簧支撑介电弹性作动器参数对其力学性能的影响规律,基于热力学理论建立了作动器力电耦合模型,提出了作动器内置弹簧刚度和驱动变形表征方法,并通过试验进行了验证,在此基础上分析了薄膜参数对作动器力学性能的影响。结果表明:该作动器在电压驱动下表现出了良好的轴向驱动特性,建立的力电耦合模型能够描述作动器的静态力学性能;作动器的静态刚度随薄膜轴向拉伸比、薄膜横截面积的增加而增大,随薄膜径向拉伸比、作动器有效长度及弹簧压缩量的增加而减少;而增大轴向、径向的拉伸比和薄膜横截面积可提高作动器的驱动性能。可见,研究结果可为作动器的设计和性能优化提供理论依据。     

基于自抗扰原理的电磁直线执行器电流换相技术

针对直线执行器的高速、高精度及行程模块化要求,在分析了自行研制的电磁直线执行器(EMLA)结构特点的基础上,提出了一种电流换相技术方案.推导出了EMLA的状态空间模型.采用自抗扰控制器进行电流换相控制,抑制系统运行过程中参数的不确定性以及摩擦等外部扰动.利用LuGre摩擦力模型进行仿真研究并和经典比例积分微分控制算法进行了对比.仿真和实验结果表明,该电流换相技术方案不影响运动平顺性,最大速度达3.1 m/s,验证了其有效性.     

馈能型电磁反力作动器设计

对作动器可靠馈能条件进行理论分析,以此为依据对双线圈作动器进行结构改造,参数计算;在Matlab/Simulink环境下建立三自由度悬架模型与作动器模型,在所建模型的基础上选定悬架参数,控制策略(主要是天棚阻尼系数C_(sky))和路面输入进行Simulink仿真;仿真显示,馈能过程中次线圈的馈能功率P_2=13.4 W,馈能效率η=13.4/25.6=52.3%,验证了此馈能型作动器的有效性.     

基于调频脉冲扫频的导弹舵机频率特性测试方法

为了实现导弹舵机的高效和高精度频率特性测试,提出了一种基于线性调频脉冲(chirp信号)扫频的新型频率特性测试方法. 分析了调频脉冲扫频信号的特点,设计了以该信号为激励信号的频率特性测试过程,解决了激励信号产生和数据采集处理等关键问题,并与常规的频率特性测试方法进行了比较试验研究. 试验结果表明,调频脉冲扫频法具有与正弦逐点扫描法相同的测试精度和重复性,适合导弹舵机频率特性的快速测试.     

电致动聚合物驱动的无阀微泵的设计与制作

提出了一种由电致动聚合物材料(DE)驱动的平面扩散/收缩管无阂微泵.通过分析扩散/收缩管的角度、长度、最小宽度等关键参数对微泵性能的影响,对无阀微泵的结构进行了设计.基于UV-LIGA工艺,将DE泵膜和SU-8泵体键合制作了无阀微泵的模型,并对DE泵膜结构进行了实验研究,确定了合理的结构形式,实现了微泵的单向泵送.在3 500 V、8 Hz直流正弦电压的作用下,无阀微泵的流量最大,为21.2 μL/min,并且结构简单、易于密封、成本低.实验结果对电致动聚合物微泵进一步的科学研究和实际应用都具有较大的促进作用.     

发动机振动主动控制用电磁作动器的设计和动态特性研究

对一种适用于汽车发动机振动主动控制用的新型串接式高能电磁作动器进行了结构设计,计算了作动器的磁场,对作动器的片状弹簧的应力分布进行了有限元分析。同时,建立了作动器的力学模型,对其动态特性进行了仿真分析和试验研究,结果表明作动器是理想的激振源和主动控制用作动器。     

Hermite展开应用于介质柱散射的时频域联合外

介质柱在外加平面波照射下其体内会激励产生极化电流时域和频域响应,利用极化电流的早时响应和低频信息,经过联合外推计算,获得了时域和频域的完全响应,本采用的基本方法是：根据连带Hermite函数的傅里叶变换的自反性,以及散射体在高斯脉冲平面波激励下极化电流的时域响应的持续时间和频信息的带宽的有限性,将时域响应和频域信息均展开为连带Hermite级数的叠加,待定系数由早时响应和低频信息联合确定,而早时响应和低频信息可分别由时间步时法（MOT）和矩量法（MOM）求得,本用4个计算例子验证了这种外推方法。     

基于BLT方程的埋地管道电磁脉冲响应规律研究

高空核爆电磁脉冲(HEMP)会在埋地油气管道上产生感应电流和感应电压,可能对油气管道的测量监控装置及阴极保护系统产生影响。为研究HEMP对埋地金属管道的电磁影响,本文利用合成电压波的思想推导了可用于分析不均匀传输线响应的BLT超矩阵方程,通过与链参数方法的计算结果进行比较,验证了该方法的正确性和有效性。建立了埋地管道的分段串联传输线模型,应用BLT超矩阵方程计算了管道特性阻抗连续时管道参数和管道折角对管道上电流、电压的影响,将入射仰角、入射方位角和场源方位角作为随机变量,计算了入射波状态对响应电流影响的统计信息;针对大地电导率横向差异引起的特性阻抗不连续情况,计算分析了管道电流电压的响应情况;研究结果可为油气管道的电磁脉冲防护提供相关参考。     

Hermite展开应用于介质柱散射的时-频域联合外推

介质柱在外加平面波照射下其体内会激励产生极化电流时域和频域响应 .利用极化电流的早时响应和低频信息 ,经过联合外推计算 ,获得了时域和频域的完全响应 .本文采用的基本方法是 :根据连带Hermite函数的傅里叶变换的自反性 ,以及散射体在高斯脉冲平面波激励下极化电流的时域响应的持续时间和频域信息的带宽的有限性 ,将时域响应和频域信息均展开为连带Hermite级数的叠加 ,待定系数由早时响应和低频信息联合确定 ,而早时响应和低频信息可分别由时间步进法 (MOT)和矩量法 (MOM)求得 .本文用 4个计算例子验证了这种外推方法 .