【摘要】：介電彈性體(Dielectric Elastomer,DE)具有柔軟、變形大、能量密度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點,被認為是一種理想的人工肌肉材料,在軟體機器人、航空航天等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。為了提高介電彈性體驅(qū)動器(Dielectric Elastomer Actuators,DEAs)的壽命并提高驅(qū)動器的輸出速度,本文基于介電彈性體提出了平動雙穩(wěn)態(tài)驅(qū)動器及旋轉(zhuǎn)雙穩(wěn)態(tài)驅(qū)動器的設(shè)計方法及尺寸優(yōu)化方法。第二章基于平衡熱力學(xué)框架和非平衡熱力學(xué)框架對介電彈性體純剪切試驗分別進行了數(shù)值仿真,分析了模型參數(shù)對介電彈性體驅(qū)動器的影響。針對介電彈性體圓形驅(qū)動器,對其分別施加三組恒電壓載荷及四組三角波電壓載荷,通過實驗及數(shù)值仿真進一步分析了黏彈性驅(qū)動器性能的影響,驗證了數(shù)值模型有效性。第三章基于鏈式梁約束模型對預(yù)壓縮梁進行理論建模,通過分析預(yù)壓縮梁的穩(wěn)態(tài)跳轉(zhuǎn)過程,設(shè)計了基于預(yù)壓縮十字交叉梁和錐形介電彈性體驅(qū)動器的緊湊型介電彈性體平動雙穩(wěn)態(tài)驅(qū)動器。分別建立了錐形介電彈性體驅(qū)動器及預(yù)壓縮十字交叉梁的理論模型,進行了有限元仿真并搭建了力-位移測試平臺,對十字交叉梁的理論模型進行了實驗驗證;通過實驗數(shù)據(jù)對錐形介電彈性體的模型參數(shù)進行了辨識。基于力平衡原理,對平動雙穩(wěn)態(tài)驅(qū)動器的工作原理進行了詳細分析并提出了尺寸優(yōu)化方法,通過制備驅(qū)動器原型進行了實驗驗證。第四章基于預(yù)壓縮固接-鉸接梁和錐形介電彈性體驅(qū)動器,提出了旋轉(zhuǎn)雙穩(wěn)態(tài)驅(qū)動器。分別建立了錐形介電彈性體驅(qū)動器及預(yù)壓縮固接-鉸接梁的理論模型,進行了有限元仿真并搭建了力矩-偏轉(zhuǎn)角測試平臺,對預(yù)壓縮梁的理論模型進行了實驗驗證;通過實驗數(shù)據(jù)對旋轉(zhuǎn)錐形介電彈性體驅(qū)動器模型參數(shù)進行了辨識�；诹仄胶庠�,對旋轉(zhuǎn)雙穩(wěn)態(tài)驅(qū)動器的工作原理進行了詳細分析并提出了尺寸優(yōu)化方法,通過制備驅(qū)動器原型進行了實驗驗證。第五章建立了雙錐形介電彈性體驅(qū)動器及平動雙穩(wěn)態(tài)驅(qū)動器的動態(tài)模型,考慮了DE材料的黏彈特性及系統(tǒng)阻尼對驅(qū)動器雙穩(wěn)態(tài)位置跳轉(zhuǎn)過程的影響。
【圖文】：

模量提高 DEAs 驅(qū)動性能的關(guān)鍵。Zhang 等人以硅橡膠 D0 wt% 高介電常數(shù)的銅酞菁低聚物 (Copper-phthalocyanine o的相對介電常數(shù)從 3.27 提升到 11.82, 對于給定的驅(qū)動應(yīng)變 32 V/μm 降低至 25 V/μm。但不足的是材料的電場擊穿強度驅(qū)動應(yīng)變[35]。Carpi 和 Rossi 向硅橡膠（Cine-Skin A/B/C 50（Titanium dioxide）粉末, 材料相對介電常數(shù)從 6.2 提高至 8Madsen 等人詳細綜述了硅橡膠介電彈性體材料的性能及性閱覽該文獻[33]獲取更多信息。彈性體的失效形式主要失效形式包括：力電失穩(wěn) (Electromechanical instability, nsion, LT)、電擊穿 (Electrical breakdown, EB)、拉伸斷裂 (Ru動器設(shè)計及驅(qū)動控制等方面具有重要的指導(dǎo)意義。

電擊穿是指當介電彈性體表面間電場強度超過臨界值時，彈性體失去介電性能成為導(dǎo)體，在材料內(nèi)部形成電流通路。電擊穿往往伴隨著燒蝕、薄膜破裂等現(xiàn)象，是一種不可逆的失效模式。圖1-3是介電彈性體電擊穿后的照片。圖 1-3 介電彈性體電擊穿現(xiàn)象拉伸斷裂是指當介電彈性體的拉伸變形超過了其拉伸極限時，彈性體發(fā)生破裂。Plante 通過等雙軸拉伸實驗測得 VHB4910 的最大拉伸率為 6，即面積變形超過 36 倍后，VHB4910 薄膜將發(fā)生拉伸斷裂。1.3 柔性電極雖然介電彈性體驅(qū)動器可以通過電荷驅(qū)動并獲得更大的驅(qū)動應(yīng)變，但實際應(yīng)用中難以快速有效地在 DE 薄膜表面施加及消除電荷，不利于實際應(yīng)用[41]，因此，柔性電極是介電彈性體驅(qū)動器不可缺失的重要組成部分。為了不影響介電彈性體驅(qū)動器的驅(qū)動應(yīng)變，柔性電極的剛度應(yīng)該遠低于彈性體薄膜，，能隨著彈性體的變形而發(fā)生變形，并能在發(fā)生大變形的條件下保持足夠好的導(dǎo)電性能。碳基柔性電極價格低廉、易于獲取
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH703

【參考文獻】

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本文編號：2618387