介电弹性材料电致变形中的不稳定行为的产生机理及其改善方法的研究.pdfVIP

介电弹性材料电致变形中的不稳定行为的产生机 理及改善方法研究1) * *,2) * 李 博 ，陈花玲 ，朱子才 * （西安交通大学教育部强度与振动重点实验室，机械工程学院，西安 710049 ） 摘要：介电弹性材料 （Dielectric elastomer, DE ）是一种柔软的绝缘高分子弹性体，能够在电场激励下产生快速的大变形 行为，可用于各种仿生的驱动器和换能器结构中。介电弹性材料的电致变形行为易受到各种不稳定行为的限制，从而制约 了对其的深入应用研究。本文从介电弹性材料的大变形力学性能机理，分析各种不稳定行为的产生根源，以及各种失稳模 式的转化过程，最后通过指出材料参数对失效行为的影响和抑制失效的方法，从而得到稳定的大变形性能。 关键词：介电弹性材料；机电耦合；稳定性；驱动器；超弹性模型 引 言 近几年来，仿生类的智能材料是国内外研究的热点，其特点是柔韧性好，可塑性强，能够在电信号 的激励下产生机械变形，由于这种变形的速度快，幅度大，具有生物肌肉的特点，因此被视为一种有潜 力的新型智能材料。 在各种仿生智能材料中，介电弹性材料 （Dielectric elastomer, DE ）是其中了一类。典型的介电弹性 材料是一种柔软的橡胶态的电介质材料，广泛的被应用于绝缘设备中。最近的科研实验研究发现，当对 可变形的介电材料薄膜施加电场后，薄膜在厚度方向上收缩，面积方向上扩张，产生巨大的变形（100% ）， [1-10] 如图1 所示。在近10 年间，该变形被广泛的应用于各种柔性机器人，光学开关，能量收集器等结构中 。  1. 图 介电弹性材料在电压下的变形机理图 1 不稳定行为的分析 对于不同的电介质材料，虽然都能在电压下发生变形，但是由于各个材料的参数不同，其变形的 2a-d E 模式也不相同。图 示意不同的弹性电介质材料在电压作用下的变形模式。假设 是击穿电场强度， B 对于等轴变形的介电弹性材料，其击穿电压是变形的函数，即 E H 2 [3] 。对于某些弹性模量较 B B 大，或者变形极限很小，或击穿电压较低的电介质，其在电压作用下的变形很小，然后产生破坏现象， 2a A 如图 中所示，我们定义这种小范围的电致变形模式为模式 。 如果是对橡胶态的弹性电介质材料施加电压，在变形过程中，电场随着变形而不断的增大，因此 1) 国家自然科学基金(资助项目 2) E-mail ：hlchen@mail.xjtu.edu.cn 1 pull-in 2b [11-19] 继续压缩材料，引起吸合 （ ）失效，如图 所示 。吸合失效是一种常见的失效形式，多产 生于MEMS设备中，对于介电弹性材料来说，由于其弹性模量非常低，当加电压变形中的弹性应力无 法抵抗静电力的时候，材料将被压薄，此时厚度的减小会引起电场的增大，进而继续压缩材料，从而 引起更高的电场，如此反馈循环，材料将发生