介電型電活性聚合物圓柱形驅(qū)動(dòng)器側(cè)向特性的研究

王勇，郭晶

（1.航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100095；2.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076）

0 引言

近年來(lái)，隨著智能材料的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。電活性聚合物作為智能材料里的一員，因其電致動(dòng)性，在智能材料領(lǐng)域具有重要的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。介電型EAP 圓柱形驅(qū)動(dòng)器作為電活性聚合物的典型應(yīng)用之一，需要深入的進(jìn)行研究，探究不同因素對(duì)介電型EAP 圓柱形驅(qū)動(dòng)器輸出的側(cè)向性能的影響。

介電彈性體作為超彈性絕緣材料，當(dāng)在高壓電場(chǎng)作用下，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生靜電壓力，使面積增大，厚度減小，發(fā)生顯著的形狀和體積變化；當(dāng)電場(chǎng)撤銷后，可以恢復(fù)到初始形狀和體積，從而完成了電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化。介電彈性體具有輕質(zhì)化、響應(yīng)速度快、高能量密度比、低噪聲、變形大、靈活性好等優(yōu)點(diǎn)，因而介電彈性體材料也被人稱為“人工肌肉”［1-2］。由于其獨(dú)特性能，介電彈性體材料在航空領(lǐng)域、能源領(lǐng)域、仿生機(jī)器人領(lǐng)域等具有重要科研和應(yīng)用價(jià)值。目前，常用的介電彈性體有硅橡膠、丙烯酸等，對(duì)于丙烯酸類介電彈性體常用的產(chǎn)品是美國(guó)3M 公司生產(chǎn)的VHB4910，該材料的應(yīng)變變形可達(dá)380%，適用溫度-10～90 ℃，在1 kV 以上的激勵(lì)電壓作用下可發(fā)生變形［3-5］。由于介電彈性體材料具有的獨(dú)特性能，引起了國(guó)內(nèi)外眾多科研人員的重視和研究，在此基礎(chǔ)上，制作了眾多類型的介電型EAP 驅(qū)動(dòng)器，在介電型EAP 驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)形式、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、輸出性能上作了眾多創(chuàng)新，取得了許多顯著成果。

目前，常見的介電型EAP 驅(qū)動(dòng)器有圓柱形、圓桶形、錐形、平面形、堆疊形、菱形等。介電型EAP 圓柱形驅(qū)動(dòng)器因其結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，制作方便，輸出性能好，得到了廣泛的應(yīng)用。美國(guó)斯坦福大學(xué)利用介電型EAP 圓柱形驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)制作了仿生爬行機(jī)器人［6］。韓國(guó)成均館大學(xué)利用介電型EAP 圓柱形驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)制作了一個(gè)手爪形機(jī)器人，該機(jī)器手爪上每個(gè)手指關(guān)節(jié)可以獨(dú)立發(fā)生15°～30°的轉(zhuǎn)角［7-8］。南京航空航天大學(xué)的科研小組利用介電彈性體材料，利用介電型EAP 圓柱形驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)制作了轉(zhuǎn)到機(jī)械手等［9］。目前，對(duì)于介電型EAP 圓柱形驅(qū)動(dòng)器側(cè)向輸出性能的實(shí)際應(yīng)用較多，而對(duì)其輸出性能的影響因素的研究較少，并且介電型EAP 圓柱形驅(qū)動(dòng)器在實(shí)際應(yīng)用中具有廣泛的前景，因此具有重要的研究?jī)r(jià)值。

本文通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量、數(shù)據(jù)處理分析，對(duì)影響介電型EAP 圓柱形驅(qū)動(dòng)器輸出的側(cè)向偏轉(zhuǎn)力和側(cè)向彎曲角度的因素進(jìn)行深入探究，并進(jìn)一步總結(jié)其作用規(guī)律，為后續(xù)介電型EAP 圓柱形驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)制作以及實(shí)際應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 理論模型

為了便于對(duì)介電型EAP 圓柱形驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行分析，突出主要因素，忽略次要因素，做了下列假設(shè)［10］：①介電型EAP 膜在拉伸后，EAP 膜的厚度均勻，不存在應(yīng)力集中現(xiàn)象；②介電型EAP 膜卷繞完成后，在制成的圓柱形結(jié)構(gòu)中，各層介電型EAP 膜的厚度均勻，忽略掉各層介電型EAP 膜之間相互作用的內(nèi)部壓力；③圓柱形驅(qū)動(dòng)器在激勵(lì)電壓作用下，介電型EAP 膜發(fā)生形變，此時(shí)各層的介電型EAP 膜都發(fā)生均勻的變形，且各層介電型EAP 膜之間不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)；④圓柱形驅(qū)動(dòng)器卷繞的介電型EAP 膜上都涂抹有均勻的柔性電極，為了簡(jiǎn)化模型，忽略掉柔性電極的厚度；⑤圓柱形驅(qū)動(dòng)器上每層介電型EAP 膜都是同心圓；⑥制成后圓柱形驅(qū)動(dòng)器，可以保持結(jié)果穩(wěn)定，彈簧不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，即彈簧不會(huì)在徑向上發(fā)生變形。

介電型EAP 材料的變形原理：介電型EAP 材料類似平行板電容器，如圖1所示，介電型EAP材料此時(shí)處于斷電狀態(tài)，在介電型EAP 材料上下表面均勻涂抹柔性電極，并且在介電型EAP 材料內(nèi)有預(yù)拉應(yīng)力，兩側(cè)并未施加電壓。如圖2所示，在柔性電極上施加激勵(lì)電壓后，此時(shí)在介電型EAP材料上的正負(fù)電荷相互吸引，產(chǎn)生電場(chǎng)，從而施加給介電型EAP 材料麥克斯韋應(yīng)力的作用。由于介電型EAP 材料具有不可壓縮的特性，因而在靜電壓力的作用下介電型EAP 材料沿著電場(chǎng)力方向的厚度會(huì)減小，面積會(huì)增大，發(fā)生形變［11］。在外加激勵(lì)電壓撤銷后，靜電壓力隨之消失，此時(shí)介電EAP 材料恢復(fù)到初始狀態(tài)。這樣就完成了介電型EAP 材料的一個(gè)工作循環(huán)，即通電→面積增大→斷電→恢復(fù)到初始狀態(tài)。通過(guò)多次的循環(huán)工作，實(shí)現(xiàn)了將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能［12］，從而達(dá)到了對(duì)外做功的目的，為介電型EAP驅(qū)動(dòng)器提供驅(qū)動(dòng)力。

圖1 斷電狀態(tài)Fig.1 Power off state

圖2 通電狀態(tài)Fig.2 Power-on state

介電型EAP 材料由于具有不可壓縮性，因而在通電后在介電型EAP 材料上產(chǎn)生的靜電壓力的計(jì)算公式表示為［13］

式中：U為施加的靜電電壓，kV；h為介電型EAP材料的厚度，m；εr為介電型EAP 材料的相對(duì)介電常數(shù)（一般取4.7），ε0為真空介電常數(shù)（8.85×10-12F/m）。

介電型EAP 圓柱形驅(qū)動(dòng)器工作原理如圖3 所示。將介電型EAP 膜進(jìn)行預(yù)拉伸后，膜內(nèi)具有預(yù)拉應(yīng)力，同時(shí)將彈簧進(jìn)行預(yù)壓縮。將預(yù)拉伸后介電型EAP 膜配合柔性電極逐層卷繞到壓縮彈簧上，并且兩端用固定頭進(jìn)行固定，此時(shí)介電型EAP 膜內(nèi)預(yù)拉應(yīng)力和彈簧的恢復(fù)力（F3）相平衡。在通電情況下，介電型EAP 膜發(fā)生形變，面積變大，此時(shí)膜內(nèi)拉應(yīng)力減小，圓柱形驅(qū)動(dòng)器在彈簧恢復(fù)力的作用下縱向伸長(zhǎng)，同時(shí)向外輸出力；斷電后，介電型EAP 膜恢復(fù)形變，膜內(nèi)的拉應(yīng)力恢復(fù)，使彈簧發(fā)生回縮現(xiàn)象，從而圓柱形驅(qū)動(dòng)器恢復(fù)原狀，通過(guò)不斷的重復(fù)這個(gè)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的對(duì)外的做功。F1，F(xiàn)2分別為介電型EAP 膜在斷電狀態(tài)與通電狀態(tài)時(shí)的力-位移曲線。斷電狀態(tài)時(shí)，在1 位置時(shí)彈簧恢復(fù)力（F3）與EAP 膜上的內(nèi)力相平衡，通電狀態(tài)時(shí)，在2 位置時(shí)彈簧恢復(fù)力（F3）與EAP 膜上的內(nèi)力相平衡。A 與B 之間的距離為圓柱形驅(qū)動(dòng)器的輸出位移，彈簧恢復(fù)力（F3）與F2之間力的差值就是圓柱形驅(qū)動(dòng)器在通電狀態(tài)下的輸出的力。

圖3 圓柱形驅(qū)動(dòng)器的工作過(guò)程Fig.3 Working process of cylindrical actuator

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 試驗(yàn)原理

如圖4 所示，試驗(yàn)需要用到的儀器有介電型EAP 圓柱形驅(qū)動(dòng)器、力值傳感器、力值顯示儀、高頻錄像儀、電源等。在驅(qū)動(dòng)器工作時(shí)，通過(guò)壓力傳感器［14-15］來(lái)測(cè)量驅(qū)動(dòng)器輸出側(cè)向偏轉(zhuǎn)力，通過(guò)高頻錄像儀來(lái)測(cè)量確定輸出的側(cè)向彎曲角度，從而獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)為避免測(cè)量誤差對(duì)試驗(yàn)造成的不良影響，因此在試驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中，會(huì)剔除掉不合理數(shù)據(jù)，并且采用多組測(cè)量數(shù)據(jù)取平均值的方法，來(lái)消除測(cè)量誤差的影響。

圖4 試驗(yàn)原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of test principle

2.2 驅(qū)動(dòng)器的制作

介電型EAP 圓柱形驅(qū)動(dòng)器的制作零件有介電型EAP 膜、柔性電極、電極引線、壓縮彈簧、固定頭、扎條、熱縮套管等，介電型EAP 圓柱形驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖5所示，制作過(guò)程中使用的工具如圖6所示。

圖6 制作工具Fig.6 Making tools

介電型EAP圓柱形驅(qū)動(dòng)器的制作過(guò)程如下：

1）介電型EAP膜的拉伸鋪展

拉伸時(shí)，先用短壓緊條固定在EAP 膜縱向的兩端，進(jìn)行縱向拉伸，并將其鎖緊固定在拉伸板上；接著用長(zhǎng)壓緊條固定EAP 膜橫向兩端進(jìn)行橫向的拉伸，將其鎖緊固定在拉伸板上，從而完成了介電型EAP膜的拉伸鋪展過(guò)程。

2）組裝驅(qū)動(dòng)器框架結(jié)構(gòu)

選用適合的螺母和螺桿作為圓柱形驅(qū)動(dòng)器的支撐固定裝置，將壓縮彈簧套在螺桿上，兩端固定頭與壓縮彈簧相嵌合，并用螺母配合螺桿進(jìn)行彈簧的壓縮，避免出現(xiàn)壓縮彈簧失穩(wěn)現(xiàn)象。

3）介電型EAP膜卷繞

卷繞時(shí)將驅(qū)動(dòng)器框架結(jié)構(gòu)放在拉伸鋪展后EAP 膜的一端，沿著縱向用手術(shù)刀逐漸劃開EAP膜，同時(shí)進(jìn)行EAP 膜的卷繞，將EAP 膜均勻的卷繞到驅(qū)動(dòng)器框架結(jié)構(gòu)的固定頭和壓縮彈簧上，直到達(dá)到目標(biāo)卷繞層數(shù)。在卷繞過(guò)程中一定要小心，避免EAP膜發(fā)生損壞。

4）涂抹柔性電極與安裝電極引線

在介電型EAP 膜逐層卷繞的過(guò)程中，將柔性電極用軟毛筆刷逐層均勻的涂抹在EAP 膜上。并同時(shí)逐層的安裝好柔性電極引線，需要注意安裝電極引線時(shí)避免對(duì)EAP膜造成損壞，而導(dǎo)致短路。

5）介電型EAP膜兩端固定

為避免圓柱形驅(qū)動(dòng)器兩端的EAP 膜發(fā)生脫落回縮現(xiàn)象，導(dǎo)致圓柱形驅(qū)動(dòng)器的損壞，需要將圓柱形驅(qū)動(dòng)器的兩端進(jìn)行固定處理。處理措施有：其一設(shè)計(jì)凹槽式固定頭，配合扎緊條，對(duì)EAP 膜進(jìn)行了扎緊固定。其二利用熱縮套管的熱收縮性，對(duì)圓柱形驅(qū)動(dòng)器的端部進(jìn)行固定處理，制作好的介電型EAP圓柱形驅(qū)動(dòng)器如圖7所示。

圖7 制作好的介電型EAP圓柱形驅(qū)動(dòng)器Fig.7 Fabricated dielectric EAP cylindrical actuator

3 試驗(yàn)測(cè)量和數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)測(cè)量

介電型EAP 圓柱形驅(qū)動(dòng)器輸出的側(cè)向偏轉(zhuǎn)力和側(cè)向彎曲角度受到多種因素的影響。本試驗(yàn)過(guò)程選擇了4 種類型的彈簧規(guī)格，具體參數(shù)見表1，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量不同影響因素作用時(shí)，驅(qū)動(dòng)器輸出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖8和圖9所示。

表1 彈簧規(guī)格參數(shù)Tab.1 Spring specifications

圖8 測(cè)量側(cè)向偏轉(zhuǎn)力Fig.8 Measurement of lateral deflection force

圖9 測(cè)量側(cè)向彎曲角度Fig.9 Measurement of lateral bending angle

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1介電型EAP膜拉伸面積比例的影響

試驗(yàn)中，控制介電型EAP 膜不同的拉伸面積比例，通過(guò)測(cè)量獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，探究其對(duì)介電型EAP 圓柱形驅(qū)動(dòng)器的側(cè)向輸出性能的影響。下面對(duì)介電型EAP膜拉伸比例的影響進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。

分析處理試驗(yàn)測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)，由圖10 和圖11 可知，介電型EAP 圓柱形驅(qū)動(dòng)器輸出的側(cè)向偏轉(zhuǎn)力和側(cè)向彎曲角度，總體呈現(xiàn)出前期隨著介電型EAP 膜拉伸面積比例的增大而逐漸增大，但輸出的側(cè)向片偏轉(zhuǎn)力不能一直增大，后續(xù)會(huì)出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

圖10 EAP膜拉伸面積比例對(duì)側(cè)向偏轉(zhuǎn)力的影響曲線Fig.10 Influence curve of tensile area ratio of EAP film on lateral deflection force

圖11 EAP膜拉伸面積比例對(duì)側(cè)向彎曲角度的影響曲線Fig.11 Influence curve of tensile area ratio of EAP film on lateral bending angle

前期增大，主要是因?yàn)镋AP 膜拉伸面積比例越大，此時(shí)EAP 膜的厚度越小，由介電型EAP 材料上產(chǎn)生的靜電壓力計(jì)算公式可知，當(dāng)EAP 膜的厚度越小時(shí)，產(chǎn)生的靜電壓力越大，從而使輸出的側(cè)向偏轉(zhuǎn)力和側(cè)向彎曲角度增大。后續(xù)出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，主要是因?yàn)榇藭r(shí)EAP 膜厚度過(guò)于小，在制作過(guò)程中極其容易出現(xiàn)損傷，并且在測(cè)試過(guò)程中容易發(fā)生電壓的擊穿破壞，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)變小，因此拉伸面積比例過(guò)大時(shí)，不再適合介電型EAP圓柱形驅(qū)動(dòng)器的制作。

3.2.2介電型EAP膜卷繞層數(shù)的影響

在本試驗(yàn)中，控制介電型EAP 膜在圓柱形驅(qū)動(dòng)器上的卷繞層數(shù)，通過(guò)測(cè)量獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，來(lái)探究其對(duì)介電型EAP 圓柱形驅(qū)動(dòng)器的側(cè)向輸出性能的影響。下面對(duì)介電型EAP 膜卷繞層數(shù)的影響進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。

分析處理試驗(yàn)測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)，由圖12可知，當(dāng)EAP 膜卷繞層數(shù)在合理范圍內(nèi)時(shí)，介電型EAP圓柱形驅(qū)動(dòng)器輸出的側(cè)向偏轉(zhuǎn)力，總體上隨著介電型EAP 膜卷繞層數(shù)的增多而逐漸增大；由圖13可知，介電型EAP 圓柱形驅(qū)動(dòng)器輸出的側(cè)向彎曲角度，先隨著介電型EAP 膜卷繞層數(shù)的增多而逐漸增大，后逐漸減小。

圖12 EAP膜卷繞層數(shù)對(duì)側(cè)向偏轉(zhuǎn)力的影響曲線Fig.12 Influence curve of number of winding layers of EAP film on lateral deflection force

圖13 EAP膜卷繞層數(shù)對(duì)側(cè)向彎曲角度的影響曲線Fig.13 Influence curve of number of winding layers of EAP film on lateral bending angle

介電型EAP 圓柱形驅(qū)動(dòng)器輸出的側(cè)向偏轉(zhuǎn)力逐漸增大是因?yàn)槊恳粚咏殡娦虴AP 膜都可以產(chǎn)生靜電壓力，介電型EAP 膜卷繞的層數(shù)越多總的靜電壓力越大，因此驅(qū)動(dòng)器輸出的側(cè)向偏轉(zhuǎn)力越大；介電型EAP 圓柱形驅(qū)動(dòng)器輸出的側(cè)向彎曲角度先逐漸增大后逐漸減小是因?yàn)槌跗趥?cè)向偏轉(zhuǎn)力逐漸增大，在其作用下使側(cè)向彎曲角度增大，后期由于卷繞的介電型EAP 膜層數(shù)過(guò)多，使驅(qū)動(dòng)器過(guò)于臃腫，從而限制了驅(qū)動(dòng)器側(cè)向彎曲，因此導(dǎo)致后期輸出的側(cè)向彎曲角度逐漸減小。

3.2.3柔性電極涂抹面積比例的影響

在本試驗(yàn)中，控制柔性電極涂抹在介電型EAP 圓柱形驅(qū)動(dòng)器一圈的面積比例，通過(guò)測(cè)量獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，來(lái)探究其對(duì)介電型EAP 圓柱形驅(qū)動(dòng)器輸出的側(cè)向性能的影響。下面對(duì)柔性電極涂抹面積比例的影響進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。

分析處理試驗(yàn)測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)，由圖14 和圖15 可知，介電型EAP 圓柱形驅(qū)動(dòng)器輸出的側(cè)向偏轉(zhuǎn)力和側(cè)向彎曲角度，總體呈現(xiàn)出前期隨著柔性電極涂抹面積比例的增大而逐漸增大，但當(dāng)面積比例超過(guò)1/2 時(shí)，驅(qū)動(dòng)器輸出的側(cè)向偏轉(zhuǎn)力和側(cè)向彎曲角度會(huì)逐漸減小。

圖14 柔性電極涂抹面積比例對(duì)側(cè)向偏轉(zhuǎn)力的影響曲線Fig.14 Influence curve of flexible electrode coating area ratio on lateral deflection force

圖15 柔性電極涂抹面積比例對(duì)側(cè)向彎曲角度的影響曲線Fig.15 Influence curve of flexible electrode coating area ratio on lateral bending angle

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是因?yàn)?，介電型EAP 圓柱形驅(qū)動(dòng)只有在涂抹柔性電極的部分才會(huì)產(chǎn)生靜電壓力從而使驅(qū)動(dòng)器輸出側(cè)向性能，因此前期隨著柔性電極涂抹面積比例的增大從而使驅(qū)動(dòng)器輸出的側(cè)向性能增大，當(dāng)柔性電極涂抹比例超過(guò)1/2時(shí)，作用在驅(qū)動(dòng)器上的靜電壓力會(huì)相互抵消，因此驅(qū)動(dòng)器輸出的側(cè)向性能會(huì)逐漸減小。

4 結(jié)論

文章基于介電彈性體材料的電致動(dòng)特性，深入研究了影響介電型EAP 圓柱形驅(qū)動(dòng)器輸出側(cè)向性能的因素，為后續(xù)介電型EAP 圓柱形驅(qū)動(dòng)器的制作、研究和應(yīng)用打下了一定的基礎(chǔ)。在介電型EAP 圓柱形驅(qū)動(dòng)器側(cè)向輸出性能試驗(yàn)中，利用數(shù)據(jù)采集裝置，獲得了豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了介電型EAP 圓柱形驅(qū)動(dòng)器在介電型EAP 膜拉伸面積比例、介電型EAP 膜卷繞層數(shù)和柔性電極涂抹面積比例影響因素作用下，其輸出的側(cè)向偏轉(zhuǎn)力和側(cè)向彎曲角度的變化趨勢(shì)。

對(duì)于介電型EAP 圓柱形驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)介電型EAP 膜拉伸面積比例逐漸增大時(shí)，其輸出的側(cè)向偏轉(zhuǎn)力和側(cè)向彎曲角度會(huì)呈現(xiàn)出先逐漸增大后逐漸減小的趨勢(shì)；當(dāng)介電型EAP 膜卷繞層數(shù)逐漸增多時(shí)，其輸出的側(cè)向偏轉(zhuǎn)力會(huì)逐漸增大，輸出的側(cè)向彎曲角度會(huì)呈現(xiàn)出先逐漸增大后逐漸減小的趨勢(shì)；當(dāng)柔性電極涂抹面積比例逐漸增大時(shí)，輸出的側(cè)向偏轉(zhuǎn)力和側(cè)向彎曲角度會(huì)呈現(xiàn)出先逐漸增大后逐漸減小的趨勢(shì)。

文章只探究了部分影響因素對(duì)介電型EAP 圓柱形驅(qū)動(dòng)器輸出的側(cè)向性能的影響。后續(xù)還可以進(jìn)一步探究其他影響因素對(duì)介電型EAP 圓柱形驅(qū)動(dòng)器側(cè)向性能的影響，推動(dòng)其不斷向前發(fā)展。