介电弹性体典型结构的非线性力电耦合行为研究
发布时间：2021-08-26 12:44
近年来,活性软材料的研究逐渐兴起。活性软材料是指可以在外界激励下产生大变形而实现一定功能的材料。从力学的角度展开活性软材料的研究有助于人们理解材料的行为与机理,并指导材料的应用,具有深入意义。介电弹性体是一类典型的活性软材料,它可以在外加电场下产生大变形响应,具有能量密度高、响应速度快、质量轻、易加工制造等优点。介电弹性体在智能仿生、生物医学等领域展现了巨大的应用潜力,并且已经广泛应用于驱动器、软机器人、盲文显示器、发电机和各种功能的传感器。本文围绕介电弹性体非线性力电耦合行为这一类大问题,具体到不同结构中的不同现象进行了研究,包括薄膜、充气薄膜、充气管和气球结构中的失稳,跳突和机电相变等非线性行为,并研究粘弹性、应力软化以及惯性和阻尼效应对非线性行为的影响。研究了介电弹性体薄膜由粘弹性引起的非平衡行为。阐述了基于非平衡热力学框架和连续介质力学模型的耗散介电弹性体理论,结合流变模型建立了粘弹性介电弹性体的本构关系,模拟了介电弹性体薄膜在不同载荷模式下非平衡的演化过程,包括蠕变和松弛、力电失稳以及滞后现象。研究了介电弹性体薄膜的应力软化行为。制备了碳纳米管填充硅橡胶型介电弹性体复合材料,...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：138 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
活性软材料的典型应用[18-23]
第1章绪论-3-1.2介电弹性体介电弹性体（dielectricelastomer,DE）是一类典型的活性软材料，它也被称为电致活性聚合物（electroactivepolymer,EAP），顾名思义使介电弹性体产生大变形的外界激励为电常介电弹性体的概念最早由美国斯坦福研究院（StanfordResearchInstituteInternational，SRIInternational）在20世纪90年代提出[24]。2000年，Pelrine等人[25]在Science杂志上发表论文，实现了介电弹性体高达158%的电致变形，引起了科学界的极大关注。介电弹性体所具有的大变形能力，结合响应速度快、能量密度高、质量轻等优点，使其具有极大的应用潜力[6-8,25-28]。在随后的时间里，以材料研究为基础，以软材料力学为理论指导，以应用器件的设计与制造为目标，介电弹性体相关领域迅速发展。图1-2介电弹性体薄膜的工作原理Fig.1-2Workingprinciplesofdielectricelastomermembrane为说明介电弹性体的工作原理，我们将其简单理解为一个可实现机械能和电场能相互转换的可变形电容器[26]。在应用中，需要将介电弹性体材料制成薄膜，并在薄膜的两个表面附加电极，所附加的电极材料要求具有足够的柔性，不能阻碍薄膜自身的变形。最传统的做法是在薄膜的两个表面涂抹导电材料，如油脂性炭膏（carbongrease），它具有低价、易获娶高柔性的优点，但不具有光学性能。此外，人们对适用于介电弹性体的电极材料也进行了大量研究，研制了如导电凝胶[30,31]等性能优异的柔性电极材料。将两侧表面附加电极的介电弹性体薄膜和电源连接后，由于上下两层电极上的异性电荷相互吸引，同层电极上的同性电荷相互排斥，薄膜会在电场力（也称麦克斯韦应力，Maxwellstress）的作用下产
物网络，研制了一种可以在脱离刚性支撑的情况下仍然保持一定预拉伸量的互穿网络型介电弹性体薄膜。1.3介电弹性体应用器件工作在力电载荷下的介电弹性体可以实现机械能和电场能的相互转换，结合其能量密度高、响应速度快、质量轻、易加工制造等优点，已经在智能仿生、生物医疗等领域显示出了巨大的应用潜力[27-29,59]。在应用中，薄膜形式的介电弹性体需要先设计成各种构型的换能器，如弹簧-卷形[36,37]、球形[46-52]、堆栈式[54]和管状[55]等，再附加外部机构，以实现具体功能。本节介绍介电弹性体的一些代表性应用。图1-3基于弹簧-卷形驱动器的(a)抓取结构和(b)爬行结构[37]Fig.1-3Gripper(a)andcrawlingstructure(b)basedonspring-rollactuator[37]介电弹性体换能器作为驱动器，可以应用于机器人领域。预拉伸可以增大介电弹性体薄膜的电致变形，但预拉伸同时带来了预应力，通常需要附加外部机构来固定预拉伸。刚性框架可以很好地固定预拉伸，例如：Pei等人[36]将预拉伸的
【参考文献】：
期刊论文
[1]Electromechanical phase transition of a dielectric elastomer tube under internal pressure of constant mass[J]. Song Che,Tongqing Lu,T.J.Wang. Theoretical & Applied Mechanics Letters. 2017(03)
[2]Stability analysis of dielectric elastomer film actuator[J]. LIU YanJu1,LIU LiWu1,SUN ShouHua1,ZHANG Zhen2 & LENG JinSong2 1 Astronautical Science and Mechanics,Harbin Institute of Technology,Harbin150001,China; 2 Center for Composite Materials,Harbin Institute of Technology,Harbin150001,China. Science in China（Series E:Technological Sciences）. 2009(09)
[3]橡胶材料的超弹性本构模型[J]. 李晓芳,杨晓翔. 弹性体. 2005(01)
本文编号：3364265
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：138 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
活性软材料的典型应用[18-23]
第1章绪论-3-1.2介电弹性体介电弹性体（dielectricelastomer,DE）是一类典型的活性软材料，它也被称为电致活性聚合物（electroactivepolymer,EAP），顾名思义使介电弹性体产生大变形的外界激励为电常介电弹性体的概念最早由美国斯坦福研究院（StanfordResearchInstituteInternational，SRIInternational）在20世纪90年代提出[24]。2000年，Pelrine等人[25]在Science杂志上发表论文，实现了介电弹性体高达158%的电致变形，引起了科学界的极大关注。介电弹性体所具有的大变形能力，结合响应速度快、能量密度高、质量轻等优点，使其具有极大的应用潜力[6-8,25-28]。在随后的时间里，以材料研究为基础，以软材料力学为理论指导，以应用器件的设计与制造为目标，介电弹性体相关领域迅速发展。图1-2介电弹性体薄膜的工作原理Fig.1-2Workingprinciplesofdielectricelastomermembrane为说明介电弹性体的工作原理，我们将其简单理解为一个可实现机械能和电场能相互转换的可变形电容器[26]。在应用中，需要将介电弹性体材料制成薄膜，并在薄膜的两个表面附加电极，所附加的电极材料要求具有足够的柔性，不能阻碍薄膜自身的变形。最传统的做法是在薄膜的两个表面涂抹导电材料，如油脂性炭膏（carbongrease），它具有低价、易获娶高柔性的优点，但不具有光学性能。此外，人们对适用于介电弹性体的电极材料也进行了大量研究，研制了如导电凝胶[30,31]等性能优异的柔性电极材料。将两侧表面附加电极的介电弹性体薄膜和电源连接后，由于上下两层电极上的异性电荷相互吸引，同层电极上的同性电荷相互排斥，薄膜会在电场力（也称麦克斯韦应力，Maxwellstress）的作用下产
物网络，研制了一种可以在脱离刚性支撑的情况下仍然保持一定预拉伸量的互穿网络型介电弹性体薄膜。1.3介电弹性体应用器件工作在力电载荷下的介电弹性体可以实现机械能和电场能的相互转换，结合其能量密度高、响应速度快、质量轻、易加工制造等优点，已经在智能仿生、生物医疗等领域显示出了巨大的应用潜力[27-29,59]。在应用中，薄膜形式的介电弹性体需要先设计成各种构型的换能器，如弹簧-卷形[36,37]、球形[46-52]、堆栈式[54]和管状[55]等，再附加外部机构，以实现具体功能。本节介绍介电弹性体的一些代表性应用。图1-3基于弹簧-卷形驱动器的(a)抓取结构和(b)爬行结构[37]Fig.1-3Gripper(a)andcrawlingstructure(b)basedonspring-rollactuator[37]介电弹性体换能器作为驱动器，可以应用于机器人领域。预拉伸可以增大介电弹性体薄膜的电致变形，但预拉伸同时带来了预应力，通常需要附加外部机构来固定预拉伸。刚性框架可以很好地固定预拉伸，例如：Pei等人[36]将预拉伸的
【参考文献】：
期刊论文
[1]Electromechanical phase transition of a dielectric elastomer tube under internal pressure of constant mass[J]. Song Che,Tongqing Lu,T.J.Wang. Theoretical & Applied Mechanics Letters. 2017(03)
[2]Stability analysis of dielectric elastomer film actuator[J]. LIU YanJu1,LIU LiWu1,SUN ShouHua1,ZHANG Zhen2 & LENG JinSong2 1 Astronautical Science and Mechanics,Harbin Institute of Technology,Harbin150001,China; 2 Center for Composite Materials,Harbin Institute of Technology,Harbin150001,China. Science in China（Series E:Technological Sciences）. 2009(09)
[3]橡胶材料的超弹性本构模型[J]. 李晓芳,杨晓翔. 弹性体. 2005(01)
本文编号：3364265
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