介电弹性体薄膜驱动器的驱动性能的研究.pdfVIP

介电弹性体薄膜驱动器的驱动性能研究① 刘立武I，张震2，刘彦菊l，冷劲松2 (1哈尔滨工业大学航天学院航天科学与力学系，哈尔滨150001： 2哈尔滨工业大学航天学院复合材料研究所，哈尔滨150001) 摘要介电弹性体是制造主动驱动器最有潜力的电致活性聚合物材料。它具有超大变 形、高弹性能密度、高效率、超短反应时间、高疲劳寿命等特点。丙烯酸和硅橡胶是常见的 介电弹性体材料。本文分别对丙烯酸和硅橡胶介电弹性体薄膜驱动器的基本性能研究，得出 薄膜驱动器的性能参数，并分析预应变、薄膜质量、电极等因素对驱动器性能的影响，给出 了制造优异性能薄膜驱动器的方法。 关键词预应变驱动器介电弹性体电致活性聚合物 中图分类号TB34 0前言 人们一直研究能在外加电场诱导下产生伸缩、 U 弯曲、束紧、膨胀等多种形式力学响应的材料。压 电材料、铁电材料的变形量太小以致驱动力过小 从而限制了应用范围。介电弹性体是制造主动驱 通电糟 通电后 动器的最有潜力的电致活性聚合物材料，它也称 电致活性聚合物人工肌陵J(EPAM)，是由1F赢利性 图1介电弹性体致动器的工作原理 国际研究机构SRIInternational在1991年一F半年 通过这个静电学模型，可以得到电极在电场中 研究发展起来的。它具有超人变形tu(380％)，高弹 产生的静电力。电极施加到弹性体的有效压力p为 性能密121(3．4J／g)，高效率【3】和超短反应时间[41，响 所施加电压的函数： 应频率在0．1kHz--一20kHz之间，疲劳寿命高f5】(循环 ． ，，V、2 次数可超过107次)等特点。为制作轻便、微型化、 P=eo占,E2=岛ql÷I (1) 精度高的驱动器提供了条件，是极有发展潜力的一 ＼l／ 种智能材料。 式中：岛和￡分别为真空介电常数和介电弹性体的 相对介电常数；E为所施加的电场强度；哟所施加 1 基本原理 的电压；，为薄膜厚度。 等式中的有效压力p是在薄膜厚度方向的压缩 介电弹性体EAP材料的电致变形效应不仅与 和在平面方向的拉紧而产生的。由于平面方向的拉 电场作用下的电极间的相互作用力有关．而且与材 紧效应相比之下较小，单纯考虑在厚度方向压缩产 料的结构和性能也密切相关。在介电弹性体两个相 生的有效压力即可。介电弹性体材料产生的应变与 对表面覆盖上柔性电极。当电极上施加电压时，弹 边界条件和介电弹性体负载、介电弹性体的弹性模 性体将发生厚度和面积的变化：厚度减小而面积扩 量有关。弹性模量在大应变中是非线性的。 大。其原理如下：当电极上施加电压时，上下两个电 介电弹性体在厚度方向产生的应变为 极上的异性电荷相互吸引而每个电极上的同性电 s．：一旦：一占。占rE2 (2) 荷相互排斥，当这个力足够大时就能观察到介电弹 ‘ Y Y 性体薄膜明显的面积变化16】。如图l所示。