【摘要】：電活性聚合物(Electroactive polymer,EAP)是近年發(fā)展起來的一種新型柔性智能材料,已成為軟材料領(lǐng)域研究的重要組成部分。EAP材料根據(jù)其作用機(jī)理主要分為離子型和電子型,介電彈性體(Dielectric elastomer,DE)屬于電子型聚合物,其具有應(yīng)變大、重量輕、柔韌性好、響應(yīng)快、成本低等優(yōu)異的材料性能。因此,基于DE材料加工而成的驅(qū)動器、發(fā)電機(jī)、人工肌肉等具有巨大的市場價值和應(yīng)用前景。利用DE材料加工制作的驅(qū)動器實現(xiàn)驅(qū)動的機(jī)理是:先將DE材料表面均勻涂覆柔性電極,之后對介電彈性體進(jìn)行通電,在外加電場激發(fā)下,DE材料的厚度將減小,而表面積將增大,利用DE材料的尺寸變形來實現(xiàn)驅(qū)動功能并將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。然而,作為高分子聚合物材料,DE材料具有顯著的粘彈性屬性。目前關(guān)于DE材料的彈性行為研究已開展較多,而對其粘彈性行為研究則方興未艾。本文針對基于DE材料制作而成的管狀介電薄膜-彈簧驅(qū)動器粘彈性力電行為開展研究,主要研究內(nèi)容如下:(1)構(gòu)建了一個由管狀介電薄膜、輕質(zhì)彈簧、剛性圓盤組成的管狀介電薄膜-彈簧驅(qū)動器模型�；诜瞧胶鉄崃W(xué)原理,結(jié)合介電彈性體的非線性耗散理論,以管狀介電薄膜-彈簧驅(qū)動器為研究對象,利用能量變分原理,選取Neo-Hookean材料模型和由彈簧和黏壺組成的粘彈性流變模型推導(dǎo)出描述管狀介電薄膜變形情況下的狀態(tài)方程和運(yùn)動方程,通過打靶法和改進(jìn)的歐拉法,數(shù)值求解了模型的狀態(tài)方程和運(yùn)動方程,得到了所考慮的物理變量隨時間的變化規(guī)律以及管狀介電薄膜輪廓變形隨時間的變化示意圖。數(shù)值模擬計算表明:管狀介電薄膜-彈簧驅(qū)動器的力電載荷形式,彈簧剛度大小對其粘彈性力電行為有著顯著影響;管狀介電薄膜-彈簧驅(qū)動器失穩(wěn)時相關(guān)載荷存在閾值;不同的彈簧剛度系數(shù)對介電薄膜的輪廓變形過程有著顯著影響。(2)討論了管狀介電薄膜-彈簧驅(qū)動器的縱橫比、正弦函數(shù)形式的周期性力電載荷對其粘彈性力電行為的影響。數(shù)值模擬計算表明:外載荷一定的情況下,縱橫比越小,管狀介電薄膜-彈簧驅(qū)動器穩(wěn)定性越好。在正弦函數(shù)形式的周期性力電載荷作用下,由于粘彈性的影響導(dǎo)致介電薄膜的剪切模量逐漸減小,數(shù)值模擬計算中考慮的真實徑向拉伸比_1?和真實徑向應(yīng)力?_1隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增大。本文的相關(guān)計算結(jié)果將有助于理解管狀介電薄膜-彈簧驅(qū)動器的粘彈性力電行為,并對這種介電薄膜驅(qū)動器優(yōu)化設(shè)計提供理論支持。
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O631;TH703
【圖文】：

電彈性體材料力電耦合變形的影響，得出升高溫度可以提高 DE 薄膜的變形能力，溫度越高，DE 材料越容易發(fā)生力電耦合失穩(wěn)。Liu 等[44-45]描述了溫度對 DE 薄膜熱力學(xué)系統(tǒng)影響的熱貢獻(xiàn)表達(dá)式，在自由能密度函數(shù)的表達(dá)式中引入熵密度的表達(dá)式。Liu 等[46]研究了在絕熱環(huán)境中，DE 材料在外加電場的激勵下，引起 DE 材料溫度和熵的變化，建立了溫度與變形耦合的熱力學(xué)自由能模型，該理論可以用來設(shè)計制造能量收集器和制冷器件。1.3 介電彈性體相關(guān)產(chǎn)品的工程應(yīng)用因為 DE 材料具有大變形、能量密度高、反應(yīng)速度快等諸多優(yōu)點，目前相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)和工程應(yīng)用主要集中在驅(qū)動器、發(fā)電機(jī)和“人工肌肉”等領(lǐng)域。圖 1.1展示的是基于 DE 材料制作的驅(qū)動器，通過控制驅(qū)動電壓來控制驅(qū)動器的收縮和舒張，進(jìn)而實現(xiàn)驅(qū)動達(dá)到抓取物體的目的。這種夾持驅(qū)動器適應(yīng)性較強(qiáng)，在狹小空間等特殊工況下，有著獨特優(yōu)勢。

的研發(fā)和工程應(yīng)用主要集中在驅(qū)動器、發(fā)電機(jī)和“人工肌肉”等領(lǐng)域。圖 1的是基于 DE 材料制作的驅(qū)動器，通過控制驅(qū)動電壓來控制驅(qū)動器的收縮和，進(jìn)而實現(xiàn)驅(qū)動達(dá)到抓取物體的目的。這種夾持驅(qū)動器適應(yīng)性較強(qiáng)，在狹小等特殊工況下，有著獨特優(yōu)勢。(a)三爪型抓取器[47](b)軟體夾持器[48]圖 1.1 基于 DE 材料制作而成的驅(qū)動器

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