Диэлектрические эластомеры - Dielectric elastomers

Принцип работы приводов из диэлектрического эластомера. Эластомерная пленка покрыта электродами с обеих сторон. Электроды подключены к цепи. Подавая напряжение

{ displaystyle U}

электростатическое давление

{ displaystyle p_ {el}}

действует. Из-за механического сжатия пленка эластомера сжимается в направлении толщины и расширяется в направлении плоскости пленки. Пленка эластомера возвращается в исходное положение при коротком замыкании.

Диэлектрические эластомеры (DE) находятся умный материал системы, производящие большие напряжения. Они принадлежат к группе электроактивные полимеры (EAP). Электроприводы DE (DEA) преобразуют электрическую энергию в механическую работу. Они легкие и обладают высокой плотностью упругой энергии. Они исследуются с конца 1990-х годов. Существует множество прототипов приложений. Ежегодно в США проводятся конференции.^[1] и Европе.^[2]

Принцип работы

DEA соответствует требованиям конденсатор (см. изображение), где пассивный эластомер пленка зажата между двумя соответствующими электроды. Когда Напряжение ${ displaystyle U}$ применяется, электростатический давление ${ displaystyle p_ {el}}$ возникающие из-за кулоновских сил, действующих между электродами. Электроды сжимают эластомерную пленку. Эквивалентное электромеханическое давление ${ displaystyle p_ {eq}}$ вдвое больше электростатического давления ${ displaystyle p_ {el}}$ и определяется:

{ displaystyle p_ {eq} = varepsilon _ {0} varepsilon _ {r} { frac {U ^ {2}} {z ^ {2}}}}

куда ${ displaystyle varepsilon _ {0}}$ это диэлектрическая проницаемость вакуума, ${ displaystyle varepsilon _ {r}}$ это диэлектрическая постоянная из полимер и ${ displaystyle z}$ - толщина эластомерной пленки. Обычно деформации DEA составляют порядка 10–35%, максимальные значения достигают 300% (акриловый эластомер VHB 4910, коммерчески доступный от 3 млн, который также поддерживает высокую плотность упругой энергии и высокую электрический пробой сила.)

Ионный

Замена электродов на мягкие гидрогели позволяет ионному транспорту заменить транспорт электронов. Водные ионные гидрогели могут создавать потенциалы в несколько киловольт, несмотря на начало электролиза при напряжении ниже 1,5 В.^[3]^[4]

Разница между емкостью двойного слоя и диэлектрика приводит к возникновению потенциала на диэлектрике, который может быть в миллионы раз больше, чем на двойном слое. Потенциалы в диапазоне киловольт могут быть реализованы без электрохимического разрушения гидрогеля.^[3]^[4]

Деформации хорошо контролируются, обратимы и допускают высокочастотную работу. Полученные устройства могут быть совершенно прозрачными. Возможно высокочастотное срабатывание. Скорость переключения ограничена только механической инерцией. Жесткость гидрогеля может быть в тысячи раз меньше, чем у диэлектрика, что позволяет срабатывать без механических ограничений в диапазоне почти 100% на миллисекундных скоростях. Они могут быть биосовместимыми.^[3]^[4]

Остальные проблемы включают высыхание гидрогелей, накопление ионов, гистерезис и короткое замыкание.^[3]^[4]

Ранние эксперименты по исследованию полупроводниковых устройств основывались на ионных проводниках для исследования модуляции поля контактных потенциалов в кремнии и создания первых твердотельных усилителей. Работы с 2000 года установили применение электролитических электродов затвора. Ионные гели также могут служить элементами высокоэффективных растягиваемых графеновых транзисторов.^[4]

Материалы

Пленки из угольного порошка или смазки, заполненные черный карбон были первыми вариантами электродов для DEA. Такие материалы имеют низкую надежность и недоступны с установленными технологиями производства. Улучшенных характеристик можно добиться с жидким металлом, листами графен, покрытия из углеродных нанотрубок, поверхностно-имплантированные слои металлических нанокластеров и гофрированные или узорчатые металлические пленки.^[4]^[5]

Эти варианты предлагают ограниченные механические свойства, сопротивление листа, время переключения и простую интеграцию. Силиконы и акрил эластомеры - другие альтернативы.

Требования к эластомерному материалу:

Материал должен иметь низкую жесткость (особенно когда требуются большие деформации);
В диэлектрическая постоянная должен быть высоким;
В электрический пробой прочность должна быть высокой.

Предварительное механическое растяжение эластомерной пленки дает возможность повысить электрическую прочность на пробой. Другие причины для предварительного растяжения включают:

Толщина пленки уменьшается, что требует более низкого напряжения для получения того же электростатического давления;
Исключение сжимающих напряжений в плоскости пленки.

Эластомеры демонстрируют вязко-гиперупругое поведение. Модели, описывающие большие деформации и вязкоупругость необходимы для расчета таких исполнительных механизмов.

Материалы, используемые в исследованиях, включают графитовый порошок, смеси силиконового масла и графита, золотые электроды. Электрод должен быть токопроводящим и податливым. Податливость важна для того, чтобы эластомер не подвергался механическому сжатию при удлинении.^[4]

Пленки полиакриламидных гидрогелей, образованные с использованием соленой воды, можно ламинировать на диэлектрические поверхности, заменяя электроды.^[4]

ДЭ на основе силикона (PDMS ) и натуральная резина являются перспективными направлениями исследований.^[6] Такие свойства как быстрый ответ время и эффективность выше при использовании DE на основе натурального каучука по сравнению с VHB (акриловый эластомер ) на основе DE для напряжения менее 15%.^[7]

Неустойчивы в диэлектрических эластомерах

Приводы из диэлектрического эластомера должны быть спроектированы таким образом, чтобы исключить явление пробоя диэлектрика на всем протяжении их движения. Помимо пробоя диэлектрика, DEA подвержены другому виду отказа, называемому электромеханической нестабильностью, который возникает из-за нелинейного взаимодействия между электростатической и механической восстанавливающей силами. В некоторых случаях пробою диэлектрика предшествует электромеханическая неустойчивость. Параметры нестабильности (критическое напряжение и соответствующее максимальное растяжение) зависят от нескольких факторов, таких как уровень предварительного растяжения, температура и диэлектрическая проницаемость, зависящая от деформации. Кроме того, они также зависят от формы волны напряжения, используемой для привода привода. ^[8]

Конфигурации

Конфигурации включают:

Приводы в рамке / в плоскости: привод в рамке или в плоскости представляет собой эластомерную пленку, покрытую / напечатанную двумя электродами. Обычно вокруг пленки устанавливается рама или поддерживающая конструкция. Примеры - расширяющиеся круги и планары (одно- и многофазные).
Цилиндрические / роликовые приводы: пленки из эластомера с покрытием наматываются вокруг оси. В результате активации сила и удлинение появляются в осевом направлении. Приводы могут вращаться вокруг пружины сжатия или без сердечника. Применения включают искусственные мышцы (протезирование ), мини- и микророботы, и клапаны.
Мембранные приводы: мембранный привод выполнен в виде плоской конструкции, которая затем смещается по оси Z для создания движения вне плоскости.
Оболочечные приводы: плоские эластомерные пленки покрываются в определенных местах в виде сегментов электродов. При направленной активации фольги принимают сложные трехмерные формы. Примеры могут быть использованы для приведения в движение транспортных средств по воздуху или воде, например для дирижаблей.
Приводы для штабелирования: плоские приводы для штабелирования могут увеличить деформацию. Приводы, которые укорачиваются при активации, являются хорошими кандидатами.
Приводы в режиме толщины: сила и ход перемещаются в направлении z (вне плоскости). Приводы режима толщины обычно представляют собой плоскую пленку, которая может складывать слои для увеличения смещения.
Приводы изгиба: привод в плоскости срабатывания привода на основе диэлектрического эластомера (DE) преобразуется в срабатывание вне плоскости, такое как сгибание или складывание, с использованием униморфной конфигурации, когда один или несколько слоев листов DE уложены поверх одного слоя неактивного материала. субстрат.^[9]
Приводы баллонов: плоский эластомер прикрепляется к воздушной камере и надувается постоянным объемом воздуха, затем жесткость эластомера можно изменять, прикладывая электрическую нагрузку; следовательно, это приводит к контролируемому напряжению вздутию эластомерного баллона. ^[10]

Приложения

Диэлектрические эластомеры предлагают множество потенциальных применений, которые могут заменить многие электромагнитные приводы, пневматику и пьезоприводы. Список потенциальных приложений включает:

Тактильная обратная связь
Насосы
Клапаны
Робототехника
Активная структура в стиле оригами^[9]
Протезирование
Выработка энергии
Активный контроль вибрации конструкций
Оптические позиционеры, такие как автофокус, зум, стабилизация изображения
Чувство силы и давления
Дисплеи с активным шрифтом Брайля
Компьютерные колонки
Деформируемые поверхности для оптики и авиакосмической промышленности
Сбор энергии
Окна с шумоподавлением^[4]
Тактильные интерфейсы на дисплее^[4]
Адаптивная оптика^[4]

дальнейшее чтение

Pelrine, R .; Kornbluh, R .; Pei, Q .; Джозеф, Дж. (2000). «Высокоскоростные эластомеры с электрическим приводом с деформацией более 100%». Наука. 287 (5454): 836–839. Bibcode:2000Sci ... 287..836P. Дои:10.1126 / science.287.5454.836. PMID 10657293.
Карпи; Де Росси; Корнблух; Пелрин; Зоммер-Ларсен (2008). «Диэлектрические эластомеры как электромеханические преобразователи: основы, материалы, устройства, модели и приложения новой технологии электроактивных полимеров». Эльзевир. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)

внешняя ссылка

Интеллектуальные материалы и конструкции (EAP / AFC) программа в Empa
Европейская научная сеть по искусственным мышцам
EuroEAP - Международная конференция по датчикам и искусственным мышцам из электромеханически активных полимеров (EAP)
Электроактивные полимерные приводы WorldWide * Webhub: Йозеф Бар-Коэн компендиум ссылок на JPL
Loverich, J. J .; Канно, I .; Котера, Х. (2006). «Концепции нового класса цельнополимерных микронасосов». Лаборатория на чипе. 6 (9): 1147–1154. Дои:10.1039 / b605525g. PMID 16929393.
Danfoss PolyPower
Лаборатория биомиметики в Оклендский университет
Приводы для штабелирования диэлектрических эластомеров (DESA) в Technische Universität Darmstadt
Проект PolyWEC EU: Новые механизмы и концепции использования электроактивных полимеров для преобразования волновой энергии

[1] "Подробная информация о конференции для электроактивных полимерных приводов и устройств (EAPAD) XV". Spie.org. 14 марта 2013 г.. Получено 1 декабря 2013.(требуется регистрация)

[2] Европейская конференция

[sci1307-3] а ^б ^c ^d Keplinger, C .; Sun, J. -Y .; Foo, C.C .; Rothemund, P .; Whitesides, G.M .; Суо, З. (2013). «Эластичные прозрачные ионные проводники». Наука. 341 (6149): 984–7. Bibcode:2013Наука ... 341..984K. CiteSeerX 10.1.1.650.1361. Дои:10.1126 / наука.1240228. PMID 23990555.

[sci1308-4] а ^б ^c ^d ^е ^ж ^грамм ^час ^я ^j ^k Роджерс, Дж. А. (2013). «Явный прогресс в мягких приводах». Наука. 341 (6149): 968–969. Bibcode:2013Научный ... 341..968R. CiteSeerX 10.1.1.391.6604. Дои:10.1126 / science.1243314. PMID 23990550.

[5] Лю, Ян; Гао, Мэн; Мэй, Шэнфу; Хан, Янтин; Лю, Цзин (2013). «Ультра-совместимые жидкометаллические электроды с возможностью самовосстановления в плоскости для приводов из диэлектрического эластомера». Письма по прикладной физике. 103 (6): 064101. Bibcode:2013АпФЛ.103ф4101Л. Дои:10.1063/1.4817977.

[6] Madsen, Frederikke B .; Daugaard, Anders E .; Хвильстед, Сорен; Сков, Энн Л. (1 марта 2016 г.). «Современное состояние преобразователей из диэлектрического эластомера на основе силикона» (PDF). Макромолекулярные быстрые коммуникации. 37 (5): 378–413. Дои:10.1002 / marc.201500576. ISSN 1521-3927. PMID 26773231.

[7] Koh, S.J.A .; Keplinger, C .; Li, T .; Bauer, S .; Суо, З. (1 февраля 2011 г.). «Генераторы из диэлектрических эластомеров: сколько энергии можно преобразовать # x003F;». Транзакции IEEE / ASME по мехатронике. 16 (1): 33–41. Дои:10.1109 / TMECH.2010.2089635. ISSN 1083-4435.

[8] ttps://asmedigitalcollection.asme.org/appliedmechanics/article/85/11/111009/444956/A-Modulated-Voltage-Waveform-for-Enhancing-the

[ReferenceA-9] а ^б Ахмед, S .; Ounaies, Z .; Фрекер, М. (2014). «Исследование характеристик и свойств приводов из диэлектрического эластомера как потенциального средства для приведения в действие структур оригами». Умные материалы и конструкции. 23 (9): 094003. Bibcode:2014SMaS ... 23i4003A. Дои:10.1088/0964-1726/23/9/094003.

[10] Шарма, Атул Кумар; Арора, Нитеш; Джоглекар, М. М. (2018). «Постоянная динамическая неустойчивость втягивания баллона из диэлектрического эластомера: подход, основанный на энергии». Труды Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки. 474 (2211): 20170900. Bibcode:2018RSPSA.47470900S. Дои:10.1098 / rspa.2017.0900. ЧВК 5897764. PMID 29662346.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]