介电高弹聚合物器件面外变形的粘弹性行为分析

• 作 者: 雷鸣
• 机 构: 浙江大学
• 出 处: 浙江大学
• 发表日期: 2015年期
• 关键词: 介电高弹聚合物器件 变形行为 粘弹性效应 物理场分布 演化规律

与工程中广泛使用的硬材料相比，自然界中存在着许多柔性的结构，例如章鱼的脚、有触摸反应的含羞草等。人们一直致力于新型材料的研发，以模仿生命中的一些显著而优异的特征。介电高弹聚合物以其优越的变形特性逐渐进入人们的视野，它在外加电场下，可产生超过100％的应变。除此之外，它还有着响应快、噪声低、质轻价廉、疲劳寿命高以及仿生性能突出等优点，因此，越来越多地应用于各类智能驱动器诸如智能机器人、盲文显示器、光学透镜、能量收集器等方面，在人工肌肉、智能仿生、航空航天、机械等领域都有着巨大的应用潜力。　　研究发现，介电高弹聚合物器件在使用过程中与拉伸速率关系很大，不仅影响转换器使用效率，也会对器件输出、响应速度产生很大的影响，而这种拉伸速率相关的现象正是介电高弹聚合物材料粘弹性效应的结果。越来越多的研究表明，粘弹性作为介电高弹聚合物材料的一个显著特征不可被忽略，因此，关于介电高弹聚合物粘弹性的理论研究很有必要，这也是本文的主要研究工作。　　本文基于热力学框架与连续介质力学模型的介电高弹聚合物理论，耦合了大变形和力电加载，描述了介电高弹聚合物非线性、非平衡以及动力学行为。基于该模型，分别以介电高弹聚合物圆形薄膜和圆环形作动器为研究对象，研究不同载荷、电压或是参数改变情况下模型的粘弹性特性，以下是三个方面的主要工作:　　(1)考虑粘弹性作用的影响，通过引入弹簧-阻尼器模型推导出介电高弹聚合物的热力学控制方程，为介电高弹聚合物的粘弹性求解提供理论基础;　　(2)考虑受到电压和内部压力共同作用下，基于介电高弹聚合物圆形薄膜，分析得到考虑粘弹性效应下的介电高弹聚合物的物理场分布和演化规律，并很好地描述了此时材料的力电稳定性行为;　　(3)建立圆环形作动器考虑粘弹性松弛的力学模型，并讨论不同参数对器件力学行为的影响。通过模拟介电高弹聚合物粘弹性演化的规律，为器件的力电失稳行为预测、随时间相关的变形行为提供理论依据，对考虑粘弹性行为的介电高弹聚合物产品的优化设计等也具有实际的借鉴和指导意义。