電致動(dòng)介電高彈聚合物材料研究進(jìn)展

郭飛泉，劉 茜，翟志剛，倪楷淇，鄭金杰

(上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620)

電致動(dòng)介電高彈聚合物材料研究進(jìn)展

郭飛泉，劉 茜，翟志剛，倪楷淇，鄭金杰

(上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620)

介電高彈聚合物是一類活性軟材料,被廣泛應(yīng)用于轉(zhuǎn)換器。文章介紹了介電高彈聚合物材料的工作原理、工作模式，以及介電高彈聚合物材料的幾種失效行為，總結(jié)了介電高彈聚合物的國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀。

介電高彈聚合物；驅(qū)動(dòng)器；失效行為

電致動(dòng)聚合物作為一種智能材料，具有很好的電性能和機(jī)械性能。其形狀和體積在電刺激下會(huì)發(fā)生改變，電刺激消失后，能夠恢復(fù)初始形態(tài)。常見(jiàn)的電致動(dòng)聚合物主要有離子型和電場(chǎng)型，介電高彈聚合物是一種電子型的電致動(dòng)聚合物材料，其特點(diǎn)有變形大、響應(yīng)速度快、彈性能密度高、機(jī)電轉(zhuǎn)化效率高、負(fù)載匹配性好、環(huán)境適應(yīng)性好、抗疲勞壽命長(zhǎng)并具有優(yōu)異的仿生性能。

1 介電高彈聚合物的工作原理

1.1 介電高彈聚合物變形原理

介電高彈聚合物[1]是一種不可壓縮的智能材料，能夠在靜電力作用下產(chǎn)生瞬發(fā)性物理變形，且響應(yīng)速度非?？?。其變形原理[2]是在材料的相對(duì)兩面均勻地涂上柔性電極(如碳膏等)，施加厚度方向上的電壓后，電子從一端電極流向另一端，異性電荷能夠相互吸引，產(chǎn)生靜電力，介電高彈聚合物在靜電力作用下會(huì)減小厚度，擴(kuò)大面積(如圖1-b)。而當(dāng)切斷電源后，則靜電力消失，介電高彈聚合物會(huì)恢復(fù)初始狀態(tài)(如圖1-a)。

圖1 變形原理

1.2 工作原理

介電高彈聚合物驅(qū)動(dòng)器包括預(yù)載荷和EAP膜，其工作原理[3]是利用通電前后，EAP膜表現(xiàn)出不同的力-位移特性，與預(yù)載電荷力平衡。圖2中，fp是預(yù)載電荷力線，fon是EAP膜通電工作狀態(tài)下的位移曲線，fp、fon之間的力差是驅(qū)動(dòng)器推程驅(qū)動(dòng)力，2位置處為兩者平衡處；foff是EAP膜斷電工作狀態(tài)下的位移曲線，fp、foff之間的力差是回程力，兩者在1位置處平衡。

圖2 驅(qū)動(dòng)器力-位移圖

2 工作模式

介電高彈聚合物工作模式分為驅(qū)動(dòng)模式和能量收集模式[4]。不同研究需求下，可選擇兩種不同的工作模式實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換。

2.1 驅(qū)動(dòng)模式

驅(qū)動(dòng)模式是指將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。通過(guò)在EAP膜的相對(duì)兩側(cè)施加電壓，使介電高彈聚合物在靜電力作用下減小厚度，擴(kuò)大面積，此過(guò)程中電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能輸出。

2.2 能量收集模式

能量收集模式是指將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。通過(guò)拉伸EAP膜充電后，將拉伸力撤除，EAP膜在彈性回復(fù)力作用下恢復(fù)未拉伸狀態(tài)，此過(guò)程中，兩側(cè)電極上的異性電荷由于彈性回復(fù)力克服靜電力做功，電荷間距離增大，同側(cè)電極上的同性電荷間距離減小，因此電勢(shì)能增加，機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能輸出。

3 介電高彈聚合物材料的失效

介電體有三類失效形式，包括斷裂失效、擊穿失效和起皺失效[5]。有多種因素能夠引起介電體失效，如拉伸破裂、電擊穿、力電失穩(wěn)和張力損失。研究介電體失效行為對(duì)研發(fā)設(shè)計(jì)長(zhǎng)壽命的驅(qū)動(dòng)器有著重大的意義。

3.1 失效形式

3.1.1 斷裂失效：斷裂失效又稱為機(jī)械失效，即材料失效，如圖3-a，EAP薄膜在被過(guò)度拉伸時(shí)，變形范圍超出薄膜所能承受的極限，則斷裂失效發(fā)生，薄膜驅(qū)動(dòng)器失去工作能力。

3.1.2 擊穿失效：擊穿失效又稱為介電強(qiáng)度失效[6]。如圖3-b，在施加電壓使薄膜發(fā)生變形的過(guò)程中，由于所施加電壓超過(guò)薄膜所能承受電壓的極限值，薄膜被擊穿，同時(shí)產(chǎn)生電火花現(xiàn)象，介電強(qiáng)度失效發(fā)生，薄膜驅(qū)動(dòng)器失去工作能力。

3.1.3 起皺失效：起皺失效又稱為力電失穩(wěn)失效[7]。在施加電壓過(guò)程中，薄膜材料厚度減小，面積擴(kuò)大，此時(shí)電壓大小保持不變，靜電力則會(huì)增加，材料所能提供的彈性回復(fù)力不足以平衡靜電力，因此發(fā)生起皺。

圖3 失效形式

3.2 失效行為分析

3.2.1 電擊穿

在對(duì)介電彈性體施加電壓時(shí)，所施加電壓超過(guò)其所能承受電壓的極限值，薄膜被擊穿，產(chǎn)生電火花現(xiàn)象，致使驅(qū)動(dòng)器失去工作能力[8]，如圖4所示。假設(shè)EEB為介電彈性體擊穿電壓臨界值。電壓超出臨界值，則電擊穿發(fā)生；電壓小于臨界值，則不發(fā)生電擊穿。擊穿電場(chǎng)和薄膜變形程度滿足：UEB=EEBdλ3λ-2，其中，d為薄膜厚度，λ為平面方向的等雙軸拉伸下的拉伸率。

圖4 電擊穿

3.2.2 預(yù)拉伸破裂

在驅(qū)動(dòng)器制作時(shí)，會(huì)對(duì)介電彈性體進(jìn)行預(yù)拉伸，以此提高驅(qū)動(dòng)器壽命。預(yù)拉伸過(guò)程中，拉伸變形若超出其所能承受范圍則會(huì)導(dǎo)致其失去工作能力。如圖5所示，在施加拉伸力F后，介電體中高分子聚合物鏈?zhǔn)艿綇?qiáng)烈拉伸，隨著拉伸力的增大，薄膜發(fā)生硬化效應(yīng)，在超出其所能承受的范圍時(shí)，拉伸力F繼續(xù)增加，則介電體發(fā)生拉伸破裂，導(dǎo)致材料失效。臨界條件可由下列公式表示：λ=λR。

圖5 預(yù)拉伸破裂

3.2.3 張力損失

當(dāng)施加電壓很高時(shí)，薄膜受到非常小的壓力就會(huì)使薄膜產(chǎn)生褶皺，一些區(qū)域變薄使褶皺凸起，致使驅(qū)動(dòng)器失去內(nèi)應(yīng)力作用而失效。如圖6所示，拉力為零，張力損失，驅(qū)動(dòng)器失效。

圖6 張力損失

3.2.4 力電失穩(wěn)

力電失穩(wěn)是指在介電高彈聚合物的相對(duì)兩側(cè)施加電壓，薄膜受靜電力作用厚度減小，面積增大。如圖7所示，當(dāng)電壓不變時(shí)，介電彈性體薄膜厚度不斷變小，導(dǎo)致薄膜上的電場(chǎng)強(qiáng)度變大，從而使薄膜厚度進(jìn)一步減小，循環(huán)往復(fù)，最終使電場(chǎng)強(qiáng)度超出介電高彈聚合物的臨界電壓，介電高彈聚合物薄膜被擊穿，致使驅(qū)動(dòng)器失效。

圖7 力電失穩(wěn)

3.3 起皺行為分析

如圖8所示為張緊狀態(tài)和起皺狀態(tài)下的介電體薄膜，目前的起皺判別方法主要有三種：主應(yīng)變判據(jù)、主應(yīng)力判據(jù)、主應(yīng)力應(yīng)變聯(lián)合判據(jù)[9]。

(1)主應(yīng)力判據(jù)：主應(yīng)力判據(jù)認(rèn)為薄膜變形形態(tài)只與應(yīng)力有關(guān)。當(dāng)最小主應(yīng)力大于零時(shí)，薄膜呈張緊狀態(tài)；當(dāng)最大主應(yīng)力小于等于零時(shí)，薄膜呈起皺狀態(tài)；當(dāng)最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力都小于等于零時(shí)，薄膜呈松弛狀態(tài)。

(2)主應(yīng)變判據(jù)：當(dāng)最大主應(yīng)變?yōu)檎?，最小主?yīng)變小于單軸應(yīng)力狀態(tài)下的泊松比效應(yīng)預(yù)測(cè)的應(yīng)變時(shí)，薄膜成起皺狀態(tài)；當(dāng)最大應(yīng)變?yōu)檎?，最小主?yīng)變大于單軸應(yīng)力狀態(tài)下的泊松比效應(yīng)預(yù)測(cè)的應(yīng)變時(shí),薄膜呈張緊狀態(tài)；當(dāng)最大主應(yīng)變和最小主應(yīng)變都小于零時(shí)，薄膜呈松弛狀態(tài)。

(3)主應(yīng)力應(yīng)變聯(lián)合判據(jù)：當(dāng)最大主應(yīng)力和最大主應(yīng)變都小于等于零時(shí)，薄膜呈松弛狀態(tài)；當(dāng)最小主應(yīng)力大于0時(shí)，薄膜呈張緊狀態(tài)；當(dāng)最小主應(yīng)力小于等于零，最大主應(yīng)變大于零時(shí)，薄膜呈起皺狀態(tài)。

圖8 起皺行為

4 介電高彈聚合物材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

4.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

目前，介電高彈聚合物的研究主要集中于介電型EAP驅(qū)動(dòng)器的研究。主要有美國(guó)斯坦福Pel班Ne小組、美國(guó)麻省理工大學(xué)的Dubowsky教授、瑞士聯(lián)邦工學(xué)院的EMPA研究所Wissler等人、意大利的Pisa大學(xué)的Carpi小組以及韓國(guó)成均館大學(xué)的Choi等學(xué)者進(jìn)行研究。現(xiàn)有介電型EAP驅(qū)動(dòng)器形式主要有圓桶形、錐形、平面形、堆疊形、圓柱形以及菱形。Federico Carpi等人[10]研究制作出一種集成流體介電型EAP驅(qū)動(dòng)器。這種驅(qū)動(dòng)器由上下兩個(gè)剛性圓盤固定，EAP薄膜環(huán)繞圓盤組成一個(gè)封閉的腔體，并在腔體中填充適量的液體從而保證驅(qū)動(dòng)器腔體呈現(xiàn)圓桶狀，同時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)器添加類似于壓縮彈簧的對(duì)抗性元件以實(shí)現(xiàn)軸向預(yù)載荷的施加。試驗(yàn)測(cè)試證明，當(dāng)施加適當(dāng)工作電壓時(shí)，這種驅(qū)動(dòng)器最大可輸出應(yīng)變量為35%，其最顯著的特點(diǎn)是可以通過(guò)調(diào)節(jié)腔內(nèi)流體的密度實(shí)現(xiàn)調(diào)控驅(qū)動(dòng)器質(zhì)量。PatrickChouinard等人[11]利用介電型EAP驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)原理，研制出介電型EAP驅(qū)動(dòng)的線性驅(qū)動(dòng)器和擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，在對(duì)兩種驅(qū)動(dòng)器作出一系列的測(cè)試與分析后，得出線性驅(qū)動(dòng)器實(shí)際最大位移可以達(dá)到16 mm，擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的正常工作范圍為±40°。Federico Carpi 等人[12]在2007年研制出一種折疊形介電彈性體驅(qū)動(dòng)器，并利用這種驅(qū)動(dòng)器研制出機(jī)器人人手復(fù)位校正與人臉眼球控制系統(tǒng)。人手復(fù)位校正系統(tǒng)利用折疊式驅(qū)動(dòng)器作為被動(dòng)彈性體手與人手建立聯(lián)系，從而通過(guò)一些測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)校正功能。機(jī)器人人臉眼球控制利用兩個(gè)折疊式驅(qū)動(dòng)器連接到一個(gè)眼球上，并通過(guò)折疊形驅(qū)動(dòng)器的通電順序來(lái)實(shí)現(xiàn)眼球的轉(zhuǎn)動(dòng)。

4.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)關(guān)于介電高彈聚合物的研究起步較國(guó)外而言相對(duì)較晚。目前，國(guó)內(nèi)幾所大學(xué)、研究院對(duì)于介電高彈聚合物驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)、應(yīng)用以及對(duì)驅(qū)動(dòng)器的特性的研究尚處于初始階段。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的魏源遠(yuǎn)等人[13]在2006年對(duì)介電型EAP驅(qū)動(dòng)器及其應(yīng)變響應(yīng)進(jìn)行了研究，他們采用基于圓形介電彈性體驅(qū)動(dòng)器模型的研究，觀察其變形特性以及應(yīng)變響應(yīng)特性。試驗(yàn)結(jié)果表明：電極的柔軟度必須與材料的性質(zhì)匹配。太硬的電極會(huì)使介電彈性體應(yīng)變變小，而太柔的電極會(huì)使介電彈性體易于擊穿。預(yù)應(yīng)變雖然減弱了單位電壓下的變形量，但卻能提高致動(dòng)器的最大應(yīng)變量。圓形介電彈性體驅(qū)動(dòng)器只能用于介電彈性體材料特性的研究，而不能用來(lái)做實(shí)質(zhì)性驅(qū)動(dòng)。合肥工業(yè)大學(xué)的陳娟等人[14]對(duì)電場(chǎng)活化聚合物的變形進(jìn)行了建模與仿真研究。他們采用電場(chǎng)活化聚合物的圓形與方形兩種驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行研究，采用二次正交回歸試驗(yàn)方法建立了電場(chǎng)活化聚合物變形的模擬仿真數(shù)學(xué)模型。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，有效地驗(yàn)證了電場(chǎng)活性化聚合物材料的變形特性。2007年，合肥工業(yè)大學(xué)的李剛等人[15]采用 HN-1110T 型的介電彈性體，并根據(jù)材料的 Ogden本構(gòu)模型設(shè)計(jì)了一種卷軸形一維伸縮致動(dòng)器。卷軸形致動(dòng)器能夠?qū)崿F(xiàn)將電能直接轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)。在電壓為6500v作用下，驅(qū)動(dòng)器輸出位移只有3.6 mm。

5 結(jié)束語(yǔ)

介電彈性體能量密度高，應(yīng)變大，效應(yīng)高，具有材料非線性和幾何大變形特性，而且其承受的載荷還具有多場(chǎng)耦合特點(diǎn)，比如機(jī)械力場(chǎng)和電場(chǎng)耦合，機(jī)械力場(chǎng)、電場(chǎng)和熱場(chǎng)耦合等等。另外，雖然介電彈性體在致動(dòng)器，機(jī)器人等工程領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大，但商業(yè)應(yīng)用仍然面臨著巨大挑戰(zhàn)。今后的研究過(guò)程中期望得到介電常數(shù)更高、柔性更好、驅(qū)動(dòng)力更強(qiáng)、使用壽命更長(zhǎng)的介電高彈聚合物材料。此外在新型驅(qū)動(dòng)方面應(yīng)用也具有重要的研究意義和研究發(fā)展空間。目前學(xué)者研究介電高彈聚合物復(fù)合材料的制作尚處于嘗試階段，沒(méi)有取得較大突破，所以今后對(duì)于獲得使用壽命更長(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)力更強(qiáng)，柔性更好的介電彈性材料驅(qū)動(dòng)器可以通過(guò)制作介電高彈聚合物復(fù)合材料來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)通過(guò)復(fù)合材料制作各向異性的驅(qū)動(dòng)器。

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Progress in the Study of Electrically Actuated Dielectric High Elastic Polymer Materials

GuoFeiquan,LiuQian,ZhaiZhigang,NiKaiqi,ZhengJinjie

(Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China)

Dieletric elastomer is a kind of active soft material，which is widelyused in converter. The working principle, working mode and the failure behavior of the Dieletric elastomer were introduced.The application status of the high elastic polymer at home and abroad were summarized.

dieletric elastomer; actuator; failure behavior

2016-03-01

上海工程技術(shù)大學(xué)市級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目(cs1509003)

郭飛泉(1994—)，男，福建莆田人，學(xué)士。

TS101.3

A

1009-3028(2016)02-0053-04