Диэлектрические эластомеры

Принцип работы приводов из диэлектрического эластомера. Эластомерная пленка покрыта электродами с обеих сторон. Электроды подключены к цепи. При приложении напряжения действует электростатическое давление . 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.

{\ displaystyle U}

{\ displaystyle p_ {el}}

Диэлектрические эластомеры ( ДЭ ) - это системы интеллектуальных материалов , которые создают большие деформации . Они относятся к группе электроактивных полимеров (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 конференции проводятся в США ^[1] и Европе. ^[2]

Принципы работы [ править ]

DEA - это податливый конденсатор (см. Изображение), в котором пассивная эластомерная пленка зажата между двумя податливыми электродами . Когда напряжение прикладывается, то электростатическое давление , возникающее из кулоновских сил действует между электродами. Электроды сжимают эластомерную пленку. Эквивалентное электромеханическое давление в два раза превышает электростатическое давление и определяется по формуле: ${\ displaystyle U}$ ${\ displaystyle p_ {el}}$ ${\ displaystyle p_ {eq}}$ ${\ displaystyle p_ {el}}$

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

где это вакуумная диэлектрическая проницаемость , является диэлектрической проницаемостью из полимера и толщина эластомерной пленки. Обычно деформации DEA составляют порядка 10–35%, максимальные значения достигают 300% (акриловый эластомер VHB 4910, коммерчески доступный от 3M , который также поддерживает высокую плотность упругой энергии и высокую электрическую прочность на пробой ). $\varepsilon _{0}$ $\varepsilon _{r}$ $z$

Ионный [ править ]

Замена электродов мягкими гидрогелями позволяет переносу ионов заменить перенос электронов. Водные ионные гидрогели могут обеспечивать потенциал 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 могут работать в высокочастотном режиме. 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 приводить в действие 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 электродов электролитного затвора. Ионные гели также могут служить элементами высокоэффективных растягиваемых графеновых транзисторов. ^[4]

Материалы [ править ]

Пленки из углеродного порошка или смазки, заполненные углеродной сажей, были ранними вариантами электродов для DEA. Такие материалы имеют низкую надежность и недоступны с установленными технологиями производства. Улучшенные характеристики могут быть достигнуты с жидким металлом, листами графена , покрытиями из углеродных нанотрубок, поверхностно-имплантированными слоями металлических нанокластеров и гофрированными или узорчатыми металлическими пленками. ^[4]^[5]

Эти варианты предлагают ограниченные механические свойства, сопротивление листа, время переключения и простую интеграцию. Другими альтернативами являются силиконы и акриловые эластомеры.

Требования к эластомерному материалу:

Материал должен иметь невысокую жесткость (особенно, когда требуются большие деформации);
Диэлектрическая проницаемость должна быть высокой;
Электрический пробой сила 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 плоскостях пленки.

Эластомеры демонстрируют вязко-гиперупругое поведение. Для расчета таких исполнительных механизмов требуются модели, описывающие большие деформации и вязкоупругость .

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 стеснялся механически при удлинении. ^[4]

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

ДЭ на основе силикона ( ПДМС ) и натурального каучука - перспективные направления исследований. ^[6] Такие свойства, как быстрое время отклика и эффективность, превосходят DE на основе натурального каучука по сравнению с DE на основе VHB ( акрилового эластомера ) при деформациях менее 15%. ^[7]

Неустойчивые элементы в диэлектрических эластомерах [ править ]

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 восстанавливающими 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 исполнительного механизма. ^[8]

Конфигурации [ править ]

Конфигурации включают:

Приводы в рамке / в плоскости: привод в рамке или в плоскости представляет собой эластомерную пленку, покрытую / напечатанную двумя электродами. Обычно вокруг пленки устанавливают рамку или опорную конструкцию. Примерами являются расширяющиеся круги и планары (одно- и многофазные).
Цилиндрические / роликовые приводы: Эластомерные пленки с покрытием наматываются вокруг оси. При 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 , клапаны.
Мембранные приводы: диафрагменный 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 режима 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 укладываются поверх одного слоя неактивного материала. субстрат. ^[9]
Приводы баллонов: плоский эластомер прикрепляют к воздушной камере и надувают постоянным объемом воздуха, затем жесткость эластомера можно изменять, прикладывая электрическую нагрузку; следовательно, это приводит к контролируемому напряжению вздутию эластомерного баллона. ^[10]

Приложения [ править ]

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
Шумоподавляющие окна ^[4]
Тактильные интерфейсы на дисплее ^[4]
Адаптивная оптика ^[4]

Ссылки [ править ]

^ "Подробная информация о конференции для электроактивных полимерных приводов и устройств (EAPAD) XV" . Spie.org. 14 марта 2013 . Проверено 1 декабря 2013 года .( требуется регистрация )
^ Европейская конференция
^ a b c d Кеплингер, К .; Sun, J. -Y .; Фу, СС; Rothemund, P .; Уайтсайдс, GM; Суо, З. (2013). «Эластичные прозрачные ионные проводники». Наука . 341 (6149): 984–7. Bibcode : 2013Sci ... 341..984K . CiteSeerX 10.1.1.650.1361 . DOI : 10.1126 / science.1240228 . PMID 23990555 .
^ Б с д е е г ч я J K Роджерс, JA (2013). «Явный прогресс в мягких исполнительных механизмах». Наука . 341 (6149): 968–969. Bibcode : 2013Sci ... 341..968R . CiteSeerX 10.1.1.391.6604 . DOI : 10.1126 / science.1243314 . PMID 23990550 .
^ Лю, Ян; Гао, Мэн; Мэй, Шэнфу; Хан, Янтин; Лю, Цзин (2013). «Ультра-совместимые электроды из жидкого металла с возможностью самовосстановления в плоскости для приводов из диэлектрического эластомера». Письма по прикладной физике . 103 (6): 064101. Bibcode : 2013ApPhL.103f4101L . DOI : 10.1063 / 1.4817977 .
^ Мадсен, Фредерикке Б .; Daugaard, Anders E .; Хвильстед, Сорен; Сков, Энн Л. (1 марта 2016 г.). «Современное состояние датчиков из диэлектрических эластомеров на основе силикона» (PDF) . Макромолекулярные быстрые коммуникации . 37 (5): 378–413. DOI : 10.1002 / marc.201500576 . ISSN 1521-3927 . PMID 26773231 .
^ Ко, SJA; 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. DOI : 10,1109 / TMECH.2010.2089635 . ISSN 1083-4435 .
^ https://asmedigitalcollection.asme.org/appliedmechanics/article/85/11/111009/444956/A-Modulated-Voltage-Waveform-for-Enhancing-the
^ 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 . DOI : 10.1088 / 0964-1726 / 23/9/094003 .
^ Шарма, Атул Кумар; Арора, Нитеш; Йоглекар, ММ (2018). "Постоянная динамическая втягивающая нестабильность баллона из диэлектрического эластомера: энергетический подход" . Труды Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки . 474 (2211): 20170900. Bibcode : 2018RSPSA.47470900S . DOI : 10,1098 / rspa.2017.0900 . PMC 5897764 . PMID 29662346 .

Дальнейшее чтение [ править ]

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 . DOI : 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 . Cite journal requires |journal= (help)

Внешние ссылки [ править ]

Программа Smart Materials & Structures (EAP / AFC) в Empa
Европейская научная сеть по искусственным мышцам
EuroEAP - Международная конференция по датчикам и искусственным мышцам из электромеханически активных полимеров (EAP)
Приводы для электроактивных полимеров WorldWide * Webhub : Yoseph Bar-Cohen 's link comppendium at JPL
Ловерич, JJ; Канно, I .; Котера, Х. (2006). «Концепции нового класса цельнополимерных микронасосов». Лаборатория на чипе . 6 (9): 1147–1154. DOI : 10.1039 / b605525g . PMID 16929393 .
Danfoss PolyPower
Biomimetics лаборатория в The University Окленда
Приводы пакета из диэлектрического эластомера (DESA) в Техническом университете Дармштадта
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 . Проверено 1 декабря 2013 года .( требуется регистрация )

[2] Европейская конференция

[sci1307-3] Кеплингер, К .; Sun, J. -Y .; Фу, СС; Rothemund, P .; Уайтсайдс, GM; Суо, З. (2013). «Эластичные прозрачные ионные проводники». Наука . 341 (6149): 984–7. Bibcode : 2013Sci ... 341..984K . CiteSeerX 10.1.1.650.1361 . DOI : 10.1126 / science.1240228 . PMID 23990555 .

[sci1308-4] Б с д е е г ч я J K Роджерс, JA (2013). «Явный прогресс в мягких исполнительных механизмах». Наука . 341 (6149): 968–969. Bibcode : 2013Sci ... 341..968R . CiteSeerX 10.1.1.391.6604 . DOI : 10.1126 / science.1243314 . PMID 23990550 .

[5] Лю, Ян; Гао, Мэн; Мэй, Шэнфу; Хан, Янтин; Лю, Цзин (2013). «Ультра-совместимые электроды из жидкого металла с возможностью самовосстановления в плоскости для приводов из диэлектрического эластомера». Письма по прикладной физике . 103 (6): 064101. Bibcode : 2013ApPhL.103f4101L . DOI : 10.1063 / 1.4817977 .

[6] Мадсен, Фредерикке Б .; Daugaard, Anders E .; Хвильстед, Сорен; Сков, Энн Л. (1 марта 2016 г.). «Современное состояние датчиков из диэлектрических эластомеров на основе силикона» (PDF) . Макромолекулярные быстрые коммуникации . 37 (5): 378–413. DOI : 10.1002 / marc.201500576 . ISSN 1521-3927 . PMID 26773231 .

[7] Ко, SJA; 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. DOI : 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 . DOI : 10.1088 / 0964-1726 / 23/9/094003 .

[10] Шарма, Атул Кумар; Арора, Нитеш; Йоглекар, ММ (2018). "Постоянная динамическая втягивающая нестабильность баллона из диэлектрического эластомера: энергетический подход" . Труды Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки . 474 (2211): 20170900. Bibcode : 2018RSPSA.47470900S . DOI : 10,1098 / rspa.2017.0900 . PMC 5897764 . PMID 29662346 .

[1]