基于介电弹性体面积应变特性的实验研究
哈尔滨工业大学科技成果——介电弹性体驱动器及其柔性仿生机器人
哈尔滨工业大学科技成果——介电弹性体驱动器及
其柔性仿生机器人
主要研究内容基于介电弹性体变形大、响应快、质量轻、抗冲击、仿生性好易于加工成型等特点，制作出可产生扩张、收缩、弯曲等大变形的折叠形、卷形、半球形、堆栈形、弹簧-卷形弯曲驱动器，并在柔性仿生抓取装置、柔性仿生爬行机器人等方面进行了初步应用，有望在智能仿生、航空、航天侦察、探测、救援及医疗等领域部分取代传统机械式装置。
介电弹性体驱动器产生弯曲大变形
主要应用
智能仿生、航空航天、军事侦察、科学探测、灾难救援等领域。
主要技术指标
介电弹性体可以产生100%的面积应变；弹簧-卷形弯曲驱动器变形在0°到90°可调；介电弹性体及驱动器响应时间：≤0.5s。
介电弹性体驱动单元的动态特性分析
介电弹性体驱动单元的动态特性分析赵政弘;帅长庚;张世轲【摘要】In order to analyze the dynamic behavior of the actuating unit of dielectric elastomer (DE) under different electric voltage,a second-order ordinary differential motion equation was derived based on thermodynamics and Ogden strain energy function considering the influence of material nonlinearity,dielectric variation and inertial effects.Besides,the dynamic response of the actuating unit was obtained,and the influence of geometry was investigated as well.The results indicate that the dynamic response amplitude of DE actuating unit is determined by the electric field.When increasing the static electric strength,the amplitude increases while the frequency decreases.And when increasing the frequency of harmonic electric strength,the actuating unit shows a resonate effect and the resonant frequency decreases with the increase of harmonic electric strength.%针对不同电压载荷情况下介电弹性体驱动单元的动态特性,考虑材料非线性、介电常数变化和惯性效应等因素的影响,从热力学能量转化的角度得到了基于Ogden应变能函数的介电弹性体驱动单元的二阶常微分运动方程,并分析了系统的动态响应及模型几何尺寸的影响.结果表明:介电弹性体驱动单元动态响应的振幅由电场强度决定.在恒定场强下,随着电场强度幅值的增大,驱动单元的振幅将随之增大、振动频率将随之减小;在简谐场强下,随着电场强度频率的增大,驱动单元将发生共振,且共振频率将随电场强度的增大而减小.【期刊名称】《材料科学与工程学报》【年(卷),期】2018(036)001【总页数】4页(P31-34)【关键词】介电弹性体;驱动单元;动态特性;数值模拟【作者】赵政弘;帅长庚;张世轲【作者单位】海军工程大学振动与噪声研究所,船舶振动噪声重点实验室,湖北武汉430033;海军工程大学振动与噪声研究所,船舶振动噪声重点实验室,湖北武汉430033;海军工程大学振动与噪声研究所,船舶振动噪声重点实验室,湖北武汉430033【正文语种】中文【中图分类】TB3811 引言介电弹性体(DE)是指在外加电场载荷激励下能够产生较大变形的电活性聚合物(EAP)材料，是一种具有巨大发展潜力的新型智能材料。
球壳形介电弹性体驱动器电致应变特性分析
关键 词 ：电致 应变 特性 球 壳形 介 电弹 性体 驱动 器 有限 元模 拟
ＤｏＩ ：１ ０ ． １ ６ ４１ ３ ／ ｊ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ７—０ ８ ０ ｘ ． ２ ０１ ５ ． ０ ４． ０ ０ ６
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｄｉ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｅ ｌ ａ ｓ ｔ ｏ ｍｅ ｒ （ ＤＥ）ｉ ｓ ａ ｔ ｙ ｐ ｅ ｏ ｆ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ － ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｐ ｏ ｌ ｙ ｍｅ ｒ ． Ｓ ｕ ｂ ｊ ｅ ｃ ｔ ｔ ｏ ａ ｌ ｌ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｖ ｏ ｌ ｔ —
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球 壳形 介 电 弹 性 体 驱 动 器 电致 应 变 特 性 分 析
Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｎ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｔ ｒ ｉ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ Ｂｅ ｈ ａ ｖ ｉ ｏ ｒ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｓ ｐ ｈ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ＤＥ Ａｃ ｔ ｕ ａ ｔ ｏ ｒ ｓ
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介电弹性体发电实验研究
图３ 实验测试电路原理图 ４实验及 结果分 析 ． 介电弹性体材料 的发 电利 用了可变电容原理 ，当外力作用在具有 预加 电场的介电弹性体材料上使其 变形时 ， 改变 电容 即可发电 ， 因此 弹 性体材料面积的改变将对发 电量产生影响 。图 ４为在其 他条件相 同的 前提下 ， 电极覆盖弹性体材料面积分别 为 １ ｅ ２ ５ｍ ，５ｍ 时 的实验 ５ｒ ， ｃ ｃ ａ ２ ３ 结果 。在 实验中 ， 泄放电阻 为 ２ 偏置 电压 为 １０ Ｖ 材料 拉伸后 为原 Ｇ， ００ ， 始材料长度 的 ３ ， 倍 通过实验得 出 ： ） （ 材料 面积为 １ｃ ， 出电压 ａ ５ｍ 时 输 高于偏置 电压 ８ Ｖ （ ） ０ ；ｂ 材料面积为 ２ ｃ ２ 输 出电压高 于偏 置电压约 ５ ｍ 时， 为 １０ ； ） ３ Ｖ （ 材料面积为 ３ｃ ２ ， ｃ ５ ｍ 时 输出电压高于偏置电压约 为２ ５ 。由 ２Ｖ 实验数据可知 ， 当拉伸量一定 时， 出电荷 电压 与材料 面积成 正比。 输
研 究。
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科技信息
博 士 ・ 家论 坛 专
住宅在建筑之前找过 风水 师看过风水 ， 住宅及 院落的主体位置 、 与 周 围关系 、 动土 时间等 的确定都是根据风水先生的要求 房屋建成之后 也请 风水先 生过 目， 并做相应 的法事。在“ 进屋 ” 前按 照习俗摆酒设宴 。 南北两 面墙 正对房 屋门 口的位 置 ， 墙高逐渐升高 ， 风水上有“ 在 挡煞 ” 的 寓 意。 ４、 应对海南气候条件的住宅特征分析 ４１海南 台风概 况 ． 由于海南岛地理位置的特殊性 ， 平均 每年 至少都会遇见一 次台风 ， 素来有 “ 台风走廊 ” 称 。据 １ ５ ～ ０ ３ 气象 资料统 计 ， 之 ９ ０ ２０ 年 海南 岛 自 １５ ９０年以来共发生有危害 的台风 ８ ４次 ， 平均每年 １ ８次 ； ． ５ 多年平均影 响海南的台风有 ７７次 ， ． 年均登 陆 ２ ． ６次。大部分 台风都是 从海南岛的
介电弹性体发电机自偏置机理研究
介电弹性体发电机自偏置机理研究介电弹性体发电机自偏置机理研究引言：随着能源需求的不断增长和能源危机的逼近，人们对可再生能源的研究越来越重视。
近年来，介电弹性体发电技术逐渐受到关注。
介电弹性体是一种具有特殊电与机械性能的材料，利用其特性可转化为电能。
介电弹性体发电机是一种利用介电弹性体的变形产生电能的装置。
本文旨在探索介电弹性体发电机自偏置的机理，进而提高其发电效率。
1. 介电弹性体发电机的原理介电弹性体发电机利用介电材料的变形产生电能。
当施加外力或者机械变形于介电材料时，产生应变，由于介电材料的电弹性效应，引起材料内部电势的变化。
这种内部电势变化将导致电荷的分离和积累，从而产生电流。
通过外部电路连接收集电荷并驱动电子设备或储存电能。
2. 介电弹性体发电机的自偏置现象自偏置现象是指介电弹性体发电机在没有施加外力的情况下仍能够产生电能的特性。
这是由于介电弹性体本身具有的非线性特性导致的。
在没有施加外力的情况下，介电弹性体发电机的内部电势处于平衡状态，电荷均匀分布。
但是当介电弹性体发电机被扭曲或施加机械压力时，介电弹性体发生变形，电势变化导致内部电荷的分离。
一旦外力移除，介电弹性体会返回原始形状，但电荷分布却不会完全恢复平衡状态，而是在一定程度上保持分离状态。
这种分离状态预先生成的电场和电势差引发了自偏置现象。
3. 自偏置机理的探究自偏置机理的探究对于进一步提高介电弹性体发电机的效率至关重要。
（1）晶格缺陷理论：晶格缺陷是介电弹性体内部自偏置现象的重要因素。
介电弹性体中晶格缺陷的产生和储存是通过超过材料内部弹性极限引起的。
晶格缺陷的产生会克服晶体的结构稳定性，因此产生电荷的能力也更大。
这个过程通常需要一定的时间来存储电荷。
（2）电迁移现象：电迁移现象是另一个影响自偏置机理的因素。
当电荷分离状态产生时，电荷首先从导电层向非导电层迁移。
电迁移速率取决于介电材料内部化学成分、材料的电导率和电场强度。
电迁移现象与晶格缺陷理论共同作用，共同影响自偏置机理。
新型电致活化材料—介电弹性体的驱动特性研究
新型电致活化材料—介电弹性体的驱动特性研究欧阳杰;胡意立【摘要】In order to solve the problems of shortage in new technology area, such as actuator, artificial muscle,bio-robot etc. , the electroac-tive polymeric materials -electric-acrylic elastomer was investigated. The analysis of the driver characteristics of dielectric elastomer was done. Through experiments, the main factors of affecting E-ACE material active zone (electrode coating regional) area strain were researched. The relationships between active zone area strain and these influencing factors were found out . Thereby appropriate conditions which can get required active zone area strain were determined according to relationships between them. The results show that: whether uniaxial pre-stretching or the uniform and non-uniform biaxial pre-stretching, the general trend of the effects of the active zone area strain are increased first and then decreased with the amount of stretching increases. The active zone area strain is increased with increasing applied voltage, reduced with the active zone and the window radius ratio increasing. By analyzing the experimental results, it shows that search for suitable conditions on the active zone to generate the required area strain is very important.%为解决微型致动器、人造肌肉、仿生机器人等新型科技研究领域短缺问题,将电活性聚合物材料—介电弹性体应用于新型驱动器研究中,开展了对弹性体材料驱动特性的相关分析.通过实验研究了影响E-ACE材料激活区(电极涂层区域)面积应变的主要因素,以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.实验结果显示:不论单轴预拉伸还是双轴的均匀与非均匀预拉伸,对激活区面积应变影响的总趋势都是随着拉伸量的增大先增大后减小.而激活区面积应变随着外加电压的增加而增大,随着激活区与窗口半径比的增大而减小.通过分析实验结果发现,寻找合适的条件对激活区产生所需的面积应变很重要.【期刊名称】《机电工程》【年(卷),期】2011(028)010【总页数】4页(P1203-1205,1221)【关键词】介电弹性体;电活性聚合物材料;驱动器;实验研究【作者】欧阳杰;胡意立【作者单位】浙江师范大学工学院,浙江金华321004;浙江师范大学工学院,浙江金华321004【正文语种】中文【中图分类】TH14电活性聚合物的种类包括:导电橡胶、离子交换膜金属复合材料、凝胶体、纳米管及介电弹性体等。
介电弹性体驱动器在柔性机器人中的研究进展
介电弹性体驱动器在柔性机器人中的研究进展柔性机器人是指结构灵活、具有高度柔韧性的机器人系统，可以在复杂环境中实现高度灵活的运动和智能控制。
与传统刚性机器人相比，柔性机器人在操纵能力、适应性和安全性方面具有更大的优势。
为了实现柔性机器人的运动控制，驱动技术显得尤为重要。
近年来，介电弹性体作为一种新型驱动材料被广泛应用于柔性机器人中，并取得了令人瞩目的研究进展。
介电弹性体是一种能够在电场刺激下发生形状变化的材料。
它由聚合物基体和高分子接枝链组成，通过改变外界电场的强度和方向，可以控制介电弹性体的形状和运动。
介电弹性体驱动器以其独特的特性在柔性机器人领域引起了广泛关注。
首先，介电弹性体驱动器具有较大的变形能力。
介电材料的特殊结构使其具有较低的刚度，并能够在外界电场刺激下发生较大的形变。
这使得介电弹性体驱动器能够实现柔性机器人的高度变形和伸缩，从而适应复杂环境下的工作需求。
其次，介电弹性体驱动器具有较快的响应速度。
相比于其他驱动技术，介电材料的响应速度较快，可以迅速地实现形状变化。
这为柔性机器人的实时控制提供了更高的精度和可行性。
此外，介电弹性体驱动器具有较低的噪音和振动水平。
由于介电材料的柔软性和高度可变性，介电弹性体驱动器在运动过程中产生的噪音和振动较小，使得柔性机器人能够在噪音敏感的环境中进行工作。
另外，介电弹性体驱动器还具有较低的功耗。
介电材料驱动的柔性机器人不需要大量能量来实现运动，相比于传统的机械驱动，其能耗更低，更加节能环保。
然而，介电弹性体驱动器也存在一些挑战和限制。
首先，介电材料的稳定性和寿命问题是目前研究的热点之一。
由于介电材料在长时间使用和多次形变后容易出现疲劳和破损，这限制了柔性机器人的长期可靠性和稳定性。
其次，介电弹性体驱动器在控制方面还存在一定的挑战。
由于介电材料的非线性和耦合特性，对其进行精确的建模和控制仍然是一个难点。
因此，如何实现介电弹性体驱动器的精准控制仍然需要进一步的研究和探索。
新型电致活化材料—介电弹性体的驱动特性研究
（ 浙江 师范 大学 工 学 院 ， 江 金 华 ３ １０ ） 浙 ２ ０４
摘要 ： 为解决微型致动器 、 人造肌 肉、 仿生机器人等新 型科技研究 领域短 缺问题 ， 电活性 聚合 物材料一介 电弹性 体应用 于新型 驱 将
动器研 究 中， 开展 了对 弹性体材料驱 动特性 的相关 分析。通 过实验研究 了影 响 ＥＡ Ｅ材料激 活区 （ —Ｃ 电极涂层 区域 ） 面积 应变 的主
Ｔ ｒｕｈｅｐｒ ｅ ｔ， ｈ ａ ｈｏｇ ｘｅ ｍ ｎｓ ｔｅｍ ｉ ｉ ｎ￣ｃ ｒ ｏ ｆ ｔ ｇＥ Ａ Ｅｍ ｔｒ ｃ ｖ ｏｅ（ｌｃ ｏｅｃａｉｇ ｅｉ ａ）ａｅ ｒｉ ｅｅｒｓａｃｅ ．Ｔ ｅ ｔ ｆ ｆ ｃ ｎ ・ Ｃ ａｅ ａ ａｔ ｅ ｎ ｅ ｔ ｄ ｏｔ ｇ ｎ １ ｒａｓ ａ ｗ ｒ ｅｒｈｄ ｈ ｏ ｓ ａｅ ｉ ｉ ｌ ｉ ｚ ｅｒ ｎｒ ｏ ｔ ｎ ｅ
第２ ８卷第 １ ０期
２１ ０ １年 １ ０月
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０ｃ ．２０１ １
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新 型 电致 活化 材 料一 介 电弹性体 的驱 动特 性研 究 木
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基于介电弹性体面积应变特性的实验研究
摘要: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。
关键词:介电弹性体预拉伸电极材料面积应变
1 引言
电活性聚合物的种类包括:导电橡胶、离子交换膜金属复合材料、凝胶体、纳米管及介电弹性体等。
其中介电弹性体被认为是最具前景的一类材料,其中以丙烯酸弹性体和硅树脂弹性体最具有代表性。
介电弹性体既可正向使用,其特性柔软、质量轻,被称为人造肌肉,在未来新一代柔性致动器、传感器领域极赋应用潜力,例如可用于微小型机械、机器人,尤其是仿生机器人的柔性电致动。
介电弹性体材料两个相对表面覆盖上柔性电极,当电极上施加电压时,弹性体将发生厚度和面积的变化:厚度减小而面积扩大。
其原理如下:当电极上施加电压时,上下两个电极上的异性电荷相互吸引而每个电极上的同性电荷相互排斥,当这个力足够大时就能观察到介电膜明显的运动。
当然,覆盖在两个面上的电极必须是柔性的。
弹性体材
料膜型驱动器就是依据这种原理制成的。
目前,对介电弹性体材料的研究主要集中在驱动领域,如美国的斯坦福研究所、伊利诺斯州大学,欧洲的爱尔兰、英国、意大利等国家及日本的几个公司。
其中,美国的AMI(Artificial Muscle Inc.)公司专门开发基于电活性聚合物的新型技术平台,目前服务于基于该材料的包括工业、医疗、消费、汽车及航天等领域的大约40亿美元的市场,但是我国在该领域开展的研究很少。
因此,该项研究具有切实的意义。
本文通过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,寻找这些主要影响因素和材料激活区面积应变之间的关系,目的是更深地了解弹性体材料的电致特性规律,为其以后在器件设计及实际应用方面奠定基础。
2 实验装置
2.1 实验材料
丙烯酸聚合物,石墨粉及相关材料。
2.2 实验设备及仪器
WWL-LSG31精密线性高压大功率直流稳压稳流电源、CCD激光位移传感器LK-G系列,万用表,保护电阻,引出电极(铜片),绝缘胶布,
绝缘塑料板(中心开圆形窗口半径分别为30mm和40mm),绝缘底座,数码相机等等一系列实验相关配套器材。
2.3 实验装置构成
将丙烯酸聚合物薄膜预拉伸一定比例后粘在绝缘塑料板上,再将准备好的圆形塑料电极模板分别粘在预拉伸好的薄膜正反两表面,然后将中央圆形部分涂上电极材料,再用条状铜片作为引出电极分别粘在两表面,最后将绝缘塑料板固定在绝缘底座上,并与高压直流电源相连。
在实验中将数码相机固定在三角架上,用于记录实验现象,用基于B样条小波的图像边缘提取技术对采集的图像进行处理,然后再利用CAD软件本身自带的面积计算功能计算出激活区域在变形前后的面积,从而再比较精确的计算出面积应变。
实验过程中将电压慢慢加至薄膜崩溃或者出现明显皱褶为止,用摄相机记录下整个变化过程,便于以后处理数据。
如图1给出了薄膜通电前后的变形图。
3 实验结果与分析
3.1 不同预拉伸与面积应变的关系
预拉伸分单轴预拉伸和双轴预拉伸,单轴预拉伸指在一条直线上将薄膜进行一定比例的预拉伸,比如100%的单轴预拉伸是指将薄膜
在某一方向上的长度拉伸到原来的2倍。
而双轴预拉伸指在互相垂直的两条直线方向上将薄膜进行一定比例的预拉伸。
3.1.1 单轴预拉伸对面积应变的影响
单轴预拉伸产生的面积应变比较小,但在一定预拉伸范围内,总体上的趋势是面积应变随着预拉伸量的增大先是增大,随后会减小,说明激活区的面积应变在变化过程中有拐点,如图2所示。
而且激活区域的形状由正圆慢慢变成椭圆形,椭圆的长轴和预拉伸的方向垂直,如图3(a)、(b)所示。
即激活区在没有预拉伸的方向上比预拉伸方向上变化更大一些,这是由于在没有预拉伸方向上比预拉伸方向上激活区的应变潜力更大一些(弹性体薄膜在保持超弹性的基础上其总应变是有限度的),所以其在没有预应变的方向上变化更大一些。
当外加电压增加到一定值时激活区还会出现规则的皱褶,皱褶的纹理走向和预拉伸的方向一致,如图3(c)所示。
这是由于薄膜在预拉伸过程中本身出现的拉伸不均匀造成的,当薄膜的内应力与外加电压产生的麦克斯韦力瞬间不平衡时(瞬间不平衡,主应力变化跟不上麦克斯韦压力的变化),扩大了这种拉伸不均匀,从而使得激活区出现了明显的皱褶。
3.1.2 双轴预拉伸对面积应变的影响
双轴预拉伸又分为均匀双轴预拉伸和非均匀双轴预拉伸。
均匀双轴预拉伸指在两个方向上的预拉伸量相同,反之,非均匀预拉伸指在两个方向上的预拉伸量不同。
首先,考虑均匀预拉伸对激活区面积应变的影响。
激活区面积应变的大小是随着预拉伸的增大还是先增大,后来又慢慢减小,即在变化过程中存在拐点,如图4所示。
并且根据实验数据可以确定激活区的面积应变出现拐点的位置在预拉伸为200%的时候。
激活区的面积应变之所以会出现拐点是由于薄膜本身的应变是有限的,当其应变超过其极限值时薄膜就会破裂,所以当其预应变达到某一值时必然会出现最大面积应变,即会出现拐点。
其次,非均匀预拉伸对激活区面积应变的影响类似于单轴预拉伸对激活区面积应变的影响。
即在一定预拉伸范围内,总体上的趋势还是面积应变随着预拉伸量的增大先是增大,随后会减小,如图5所示。
而且激活区域的形状呈椭圆形,椭圆的长轴和预拉伸量小的方向一致,即激活区在预拉伸量小的方向上比预拉伸量大的方向上变化更大一些,这是由于在预拉伸量小的方向上预拉伸量大的方向上激活区的应变潜力更大一些。
3.2 外加电压与面积应变的关系
外加电压对激活区面积的应变影响是很大的,总体是激活区的面积应变随着外加电压的增大而增大,如图6所示是薄膜在预拉伸为一定值时其激活区面积应变随着外加电压的变化情况。
从图中可以看出激活区面积应变的非线性变化随着外加电压的增大越来越明显。
出现这种现象的原因是薄膜不是完全理想的弹性体,并非理想的不可压缩,而且随着应变的增大薄膜的各向异性也越明显,导致麦克斯韦力与薄
膜内应力之间的不平衡,使得激活区面积应变产生了明显的非线性变化,最后还会导致薄膜表面出现皱褶甚至破裂。
4 结论
实验结果显示:不论单轴预拉伸还是双轴的均匀与非均匀预拉伸,对激活区面积应变影响的总趋势都是随着拉伸量的增大先增大后减小,且激活区面积应变随着外加电压的增加而增大。
不论薄膜是单轴预拉伸还是双轴的均匀与非均匀预拉伸,对激活区面积应变的影响的总趋势都是类似的,随着拉伸量的增大先增大后减小,即存在拐点,进而说明薄膜在外加电压的作用下要产生最大的应变需要合适的预拉伸,而不是预拉伸越大越好。
通过分析实验结果发现,寻找合适的条件对激活区产生所需的面积应变很重要。
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