介电弹性材料驱动器的力电耦合机理及稳定性研究_李博
纯剪切模式介电弹性体发电机发电特性
纯剪切模式介电弹性体发电机发电特性鄂世举;金建华;曹建波;蔡建程;夏文俊【摘要】为研究介电弹性体发电机的发电特性,基于COMSOL有限元软件建立了在纯剪切拉伸方式下的介电弹性体发电机有限元仿真机电耦合模型.该模型基于Y eo h超弹性材料本构,同时耦合发电机膜内静电力,根据可变电容理论对发电机电容变化及发电效果进行研究.设计了可Y向预拉伸的纯剪切拉伸装置,并在不同预拉伸条件下对发电机薄膜样本进行了拉伸实验,分析了其电容变化及发电效果.对比了仿真数据与实验结果,仿真模型的电容变化与实验测得的电容变化情况基本吻合,仿真模型一个周期内的输出电压变化与实验测得的电压变化基本吻合.实验及仿真结果表明,在相同的拉伸条件下,Y向预拉伸增大了初始电容及电容变化速率,且当Y向预拉伸λ=1时的上升电压为83 V,而λ=2时的上升电压达到252 V,改善了发电性能.本文提出的介电弹性体发电机新的研究方法为发电机样机设计提供了新的思路.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2018(026)007【总页数】11页(P1708-1718)【关键词】有限元建模;纯剪切;Y向预拉伸;机电特性【作者】鄂世举;金建华;曹建波;蔡建程;夏文俊【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;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;浙江师范大学工学院 ,浙江金华321004【正文语种】中文【中图分类】TP394.1;TH691.91 引言电活性聚合物(Electroactive Polymer， EAP)是一种新型的功能性材料，可广泛应用于驱动器、传感器和发电领域[1-4]。
介电弹性体(Dielectric Elastomer，DE)是EAP材料中最具代表性的一类，包括聚丙烯酸酯、硅橡胶及天然橡胶等，具有变形大、质量轻、能量密度高及柔顺性好等特点。
压电材料的研究和应用现状
压电材料的研究和应用现状一、概述压电材料是一类具有压电效应的特殊功能材料，它们能够将机械能转化为电能，或者将电能转化为机械能。
自1880年居里兄弟发现压电效应以来，压电材料在科学研究和工业应用中就占据了重要地位。
随着科技的飞速发展，压电材料的研究和应用已经深入到众多领域，如传感器、换能器、振动控制、声波探测、生物医学等。
在压电材料的研究方面，科研人员一直致力于探索新型压电材料，优化其性能，拓宽其应用范围。
目前，压电材料的研究重点主要集中在压电陶瓷、压电聚合物、压电复合材料等领域。
这些新型压电材料在压电常数、介电常数、机械品质因数等关键指标上不断取得突破，为压电材料的应用提供了更多可能性。
在应用方面，压电材料在传感器和换能器领域的应用尤为广泛。
例如，压电传感器可用于检测压力、加速度、振动等物理量，广泛应用于工业自动化、航空航天、环境监测等领域。
压电换能器则可用于声波的发射和接收，广泛应用于声呐、超声检测、通信等领域。
压电材料在振动控制、声波探测、生物医学等领域也展现出广阔的应用前景。
压电材料作为一种重要的功能材料，在科学研究和工业应用中发挥着不可替代的作用。
随着科学技术的不断进步，压电材料的研究和应用必将迎来更加广阔的天地。
1. 压电材料的定义与特性压电材料是一种特殊的功能材料，具有将机械能转化为电能或将电能转化为机械能的能力。
这类材料在受到外力作用时，其内部正负电荷中心会发生相对位移，从而产生电势差，这种现象称为“压电效应”。
反之，当压电材料置于电场中时，材料会发生形变，这种现象称为“逆压电效应”。
压电材料的这种特性使得它们在许多领域都有广泛的应用，如传感器、换能器、振动控制等。
压电材料的特性主要包括压电常数、介电常数、机械品质因数等。
压电常数反映了材料的压电效应强弱，是衡量压电材料性能的重要指标。
介电常数则描述了材料在电场作用下的电荷存储能力。
机械品质因数则反映了材料在振动过程中的能量损耗情况。
介电弹性体材料致动器的非线性动态行为研究
度范 围宽 和频 率范 围广 （ ０ ． １—２ ０ Ｋ Ｈ ｚ ） ． Ｄ Ｅ致 动器 指 的是在 Ｄ Ｅ材 料 上 下 表 面 涂 有 柔 性 电极 的三 明
治结 构 ， 在 电极 上 施 加 电 压 后 ， Ｄ Ｅ材 料 上 产 生 的 Ｍａ ｘ ｗ ｅ ｌ ｌ 电场力 和 电致伸缩 电应 力 的共 同作 用 挤压 材料 ， 结果 使其 面积 增大 ， 厚度 减小 ， 并 逐渐 成 为近 几年 国内外 的 研 究 热点 之 一 ＿ ２ ＿ ４ Ｊ ． 近年来 ， 研 究 学
宏观变形等特性也必然受到阻尼 的影响． 借 助热力学 自由能理论 ， 考虑 Ｄ Ｅ材料致动器面 内动态变形过程 中
的惯性力和阻尼力 ， 构建平 面 Ｄ Ｅ材料致动器 的非线性 动力 学模 型． 研究 了交变 电载荷下 Ｄ Ｅ系统 的非线性 动态特性 ， 包括其 幅频 曲线 、 位移响应和相平 面 图． 研究 表 明， 存在 阻尼 的时候 ， Ｄ Ｅ系统 的振 动会 随着 时间 的增加 出现锁频现象 ， 最 后变成一种具有恒定振幅 的振 动． 相平 面图和 Ｐ ｏ ｉ ｎ ｃ ａ ｒ ６映射 图研 究表 明， 考虑 阻尼
７ １ ０ ０ ４ ９ ）
摘要
介 电弹性 体材料 （ Ｄ ｉ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ Ｅ ｌ ａ ｓ ｔ ｏ ｍ ｅ ｒ ， 简称 Ｄ Ｅ） ， 是制造 柔性智 能致动器 最有潜 力的 电活 性聚合物
（ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｐ ｏ ｌ ｙ ｍ ｅ ｒ ， 缩写 Ｅ Ａ Ｐ ） 材料之一 ， 可在 电压驱 动下产 生大幅度 的厚度 与面积变形 ， 最 大面积应 变 高达 １ ６ ０ ０ ％． 由于 Ｄ Ｅ材料 的固有阻尼特性 ， 从 而使其变形具有 时间依赖性 ， 因此动态 变形 中， 其 能量转换 、
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。
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
4-3 铁电材料与器件
用于FRAM的铁电薄膜应满足以下要求。（1）合 理的剩余极化强度，大约在5μC·cm-2左右，保证反转极 化时能出现足够多的电荷；（2）电滞回线矩形性好且 矫顽场较低，保证不发生误写误读，且工作电压低到与 半导体集成电路相容；（3）开关速度快，要在纳秒级 别；（4）疲劳特性好，在1015次极化反转后仍无明显的 疲劳；（5）加工工艺性和稳定性要好，易于集成到 CMOS工艺中去；（6）不容易退极化，数据保持能力 和持久能力要好。
4.3.2 铁电材料 有重要实用价值的铁电材料主要有以下几种类型，钙
钛矿型、铌酸锂型、钨青铜型、铋层状型、氢键型以及含 甘氨酸的铁电体。 （1）钙钛矿结构铁电陶瓷
钙钛矿结构的钛酸钡晶体结构
钙钛矿结构是由钛酸钙（CaTiO3）得名的，其通式为 ABO3，有A2+B4+O3和A1+B5+O3两种。BO6形成氧八面体， O在顶角，B在八面体的中心，B离子偏离氧八面体中心 相对位移产生自发极化，每个O都是两个氧八面体的顶角， 因此，钙钛矿结构可以看成是许多氧八面体BO6共点连接 而成，八面体之间配位数为12的位置则由A离子占据。理 想钙钛矿结构中离子半径之间存在如关系：
去除电压 源极
金属电极 删极
铁电层 漏极
对某个单元施加正或负电压，当电压达到矫顽电压时， 极化即被反转，完成写入操作，当移去电场后，电极化状态 仍然保持，因此可以检测极化电荷对数据进行读取。由于铁 电薄膜畴的翻转需要电压不高，所以不需要高压来写入擦出 数据，而且写入速度快不会导致擦写延迟，在掉电后也能够 保留数据，所以也是一种兼具动态随机存储器RAM和静态存 储器ROM性能的非易失存储器。铁电存储器具有功耗小、读 写速度快、抗辐照能力强的优点，在需要快速存储和低功耗 的仪表、汽车电子系统、通讯、消费电子产品、计算机、医 疗设备以及在军用宇航需要抗辐照性能的场合有很多应用。
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。
介电型电活性聚合物圆柱形驱动器的驱动效率
介电型电活性聚合物圆柱形驱动器的驱动效率罗华安;王化明;朱银龙;左方睿;汪洋【摘要】研究了介电型电活性聚合物(DEAP)驱动器的机电能量转换机理、能量损耗和驱动效率.建立了驱动器机电能量转换模型,并通过试验测算了驱动器等效电路的模型参数,分析了电极材料等因素对DEAP相对介电常数的影响.深入研究了驱动器漏电流损耗,试验验证了漏电流对驱动器性能的影响.最后,设计了驱动器驱动试验台,完成了不同行程的准静态驱动试验,数值计算了驱动器的驱动效率.结果表明:由于等效电路电容未参与能量转换,驱动器机电转换效率分别为17.6％和25.6％.低电压、小行程驱动时,试验误差与理论分析误差不超过15％;而高电压、大行程驱动时,DEAP膜的漏电流等非线性因素使其驱动效率变化明显.该结果可为DEAP圆柱形驱动器的优化设计及合理使用提供指导.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2016(024)008【总页数】11页(P1980-1990)【关键词】介电型电活性聚合物;圆柱形驱动器;机电能量转换;驱动效率;漏电流【作者】罗华安;王化明;朱银龙;左方睿;汪洋【作者单位】南京信息职业技术学院机电学院,江苏南京210023;南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016;南京林业大学机械电子工程学院,江苏南京210037;南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016;南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016【正文语种】中文【中图分类】TH703.6;TP24介电型电活性聚合物(Dielectric Electroactive Polymer,DEAP)材料受电压激励产生变形，具有变形大、运动平滑、零噪声、能量密度高、响应速度较快等优点，在能量收集及新型传感器、驱动器应用研究方面得到广泛关注[1-4]。
利用DEAP材料制作的驱动器在微型仿生机器人、康复训练、软体机器等领域具有潜在应用前景[5-9]，其中圆柱形驱动器结构简单，可输出较大的位移和力，成为科研人员的重点研究对象之一[7-9]。