Диэлектрические эластомеры

Диэлектрические эластомеры ( ДЭ ) — это материалов интеллектуальные системы , которые создают большие деформации и перспективны для мягкой робототехники , искусственных мышц и т. д. Они относятся к группе электроактивных полимеров (ЭАП). Исполнительные механизмы DE (DEA) преобразуют электрическую энергию в механическую работу и наоборот. Таким образом, их можно использовать как в качестве исполнительных механизмов, датчиков, так и в качестве устройств сбора энергии. Они обладают высокой плотностью упругой энергии и быстрым откликом благодаря легкому весу, высокой растяжимости и работе по электростатическому принципу. Их расследование ведется с конца 1990-х годов. Существует множество прототипов приложений. Ежегодно в США проводятся конференции ^[1] и Европа. ^[2]

Принципы работы

DEA — это совместимый конденсатор (см. изображение), в котором пассивная эластомерная пленка зажата между двумя совместимыми электродами . Когда напряжение $U$ прикладывается электростатическое давление $p_{el}$ возникающая в результате действия кулоновских сил между электродами. Электроды сжимают эластомерную пленку. Эквивалентное электромеханическое давление $p_{eq}$ в два раза больше электростатического давления $p_{el}$ и дается:

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

где $\varepsilon _{0}$ диэлектрическая проницаемость вакуума , $\varepsilon _{r}$ - проницаемость полимера и диэлектрическая $z$ – толщина пленки эластомера в текущем состоянии (при деформации). Обычно деформации ДЭА составляют порядка 10–35 %, максимальные значения достигают 300 % (акриловый эластомер VHB 4910, коммерчески доступный от 3M , который также обеспечивает высокую плотность упругой энергии и высокую электрическую прочность на пробой).

ионный

Замена электродов мягкими гидрогелями 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 тому, что потенциал на диэлектрике может быть в миллионы раз больше, чем на двойном слое. Потенциалы в киловольтном диапазоне могут быть реализованы без электрохимического разрушения гидрогеля. ^[3]^[4]

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

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

Ранние эксперименты по исследованию полупроводниковых устройств основывались на ионных проводниках для исследования полевой модуляции контактных потенциалов в кремнии и создания первых твердотельных усилителей. Работа, проводимая с 2000 года, установила полезность электродов затвора с электролитом. Ионные гели также могут служить элементами высокопроизводительных растягивающихся графеновых транзисторов. ^[4]

Материалы

Пленки из углеродного порошка или смазки, наполненные углеродной сажей, были первым выбором в качестве электродов для DEA. Такие материалы имеют низкую надежность и недоступны при устоявшихся технологиях производства. Улучшенных характеристик можно достичь с помощью жидкого металла, листов графена , покрытий из углеродных нанотрубок, поверхностно-имплантированных слоев металлических нанокластеров и гофрированных или узорчатых металлических пленок. ^[4]^[5]

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

Требования к эластомерному материалу:

Материал должен иметь низкую жесткость (особенно, когда требуются большие деформации);
Диэлектрическая проницаемость должна быть высокой;
Электрическая прочность пробоя должна быть высокой.

Механическое предварительное растяжение эластомерной пленки дает возможность повысить электрическую прочность на пробой. Другие причины предварительного растяжения включают в себя:

Толщина пленки уменьшается, и для получения того же электростатического давления требуется более низкое напряжение;
Избегание сжимающих напряжений в направлениях плоскости пленки.

Эластомеры демонстрируют вязко-гиперэластичное поведение. модели, описывающие большие деформации и вязкоупругость Для расчета таких приводов необходимы .

В качестве материалов, используемых в исследованиях, используются графитовый порошок, смеси силиконового масла и графита, золотые электроды. Электрод должен быть проводящим и податливым. Соответствие важно, чтобы эластомер не подвергался механическим ограничениям при удлинении. ^[4]

Пленки полиакриламидных гидрогелей, образованные соленой водой, можно ламинировать на поверхности диэлектриков, заменяя электроды. ^[4]

Перспективными направлениями исследований являются ДЕ на основе силикона ( ПДМС ) и натурального каучука . ^[6] Такие свойства, как быстрое время отклика и эффективность, превосходят DE на основе натурального каучука по сравнению с DE на основе VHB ( акриловый эластомер ) при деформации менее 15%. ^[7]

Нестабильность диэлектрических эластомеров

Приводы из диэлектрического эластомера должны быть спроектированы таким образом, чтобы исключить явление пробоя диэлектрика на протяжении всего процесса их эксплуатации. движение. Помимо диэлектрического пробоя, ДЭА подвержены еще одному виду отказа, называемому электромеханическим. неустойчивость, возникающая из-за нелинейного взаимодействия электростатических и механических восстанавливающих сил. В ряде случаев электромеханическая неустойчивость предшествует пробою диэлектрика. Нестабильность параметры (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 напряжения. Форма волны, используемая для управления приводом. ^[8]

Конфигурации

Конфигурации включают в себя:

Приводы в рамке/в плоскости: Привод в рамке или в плоскости представляет собой эластомерную пленку, покрытую/напечатанную двумя электродами. Обычно вокруг пленки монтируется рама или опорная конструкция. Примерами являются расширяющиеся круги и плоскости (одно- и многофазные).
Цилиндрические/рулонные приводы: эластомерные пленки с покрытием наматываются вокруг оси. При активации в осевом направлении появляются сила и удлинение. Приводы могут вращаться вокруг пружины сжатия или без сердечника. Приложения включают искусственные мышцы ( протезирование ), мини- и микророботы , а также клапаны.
Мембранные приводы: Мембранный привод представляет собой плоскую конструкцию, которая затем смещается по оси Z для создания движения вне плоскости.
Оболочечные приводы: плоские эластомерные пленки покрыты в определенных местах в виде сегментов электродов. При правильно направленной активации фольга принимает сложную трехмерную форму. Примеры могут быть использованы для движения транспортных средств по воздуху или воде, например, для дирижаблей.
Штабелированные приводы: штабелирование плоских приводов может увеличить деформацию. Хорошими кандидатами являются приводы, которые укорачиваются при активации.
Приводы режима толщины: сила и ход перемещаются в направлении z (вне плоскости). Активаторы режима толщины обычно представляют собой плоскую пленку, которая может накладываться слоями для увеличения смещения.
Гибочные приводы: Приведение в действие привода на основе диэлектрического эластомера (DE) в плоскости преобразуется в срабатывание вне плоскости, например, изгиб или складывание с использованием одноморфной конфигурации, когда один или несколько слоев листов DE укладываются поверх одного слоя неактивного материала. субстрат. ^[9]
Баллонные приводы: плоский эластомер прикреплен к воздушной камере и накачивается постоянным объемом воздуха, затем жесткость эластомера можно изменять путем приложения электрической нагрузки; что приводит к контролируемому напряжением выпучиванию эластомерного баллона. ^[10]

Приложения

Диэлектрические эластомеры предлагают множество потенциальных применений и могут заменить многие электромагнитные, пневматические и пьезоактуаторы. В список потенциальных приложений входят:

Тактильная обратная связь
Насосы
Клапаны
Робототехника
Активная структура в стиле оригами ^[9]
Протезирование
Производство электроэнергии
Активный виброконтроль конструкций
Оптические позиционеры, такие как автофокусировка, масштабирование, стабилизация изображения.
Ощущение силы и давления
Активные дисплеи Брайля
Спикеры
Деформируемые поверхности для оптики и аэрокосмической отрасли
Сбор энергии
Окна с шумоподавлением ^[4]
Тактильные интерфейсы на дисплее ^[4]
Адаптивная оптика ^[4]

Ссылки

^ «Детали конференции по электроактивным полимерным приводам и устройствам (EAPAD) XV» . Шпи.орг. 14 марта 2013 года . Проверено 1 декабря 2013 г. ( требуется регистрация )
^ Европейская конференция
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Кеплингер, К.; Сан, Ж.-Ю.; Фу, CC; Ротемунд, П.; Уайтсайдс, генеральный менеджер; Суо, З. (2013). «Растягивающиеся прозрачные ионные проводники». Наука . 341 (6149): 984–7. Бибкод : 2013Sci...341..984K . CiteSeerX 10.1.1.650.1361 . дои : 10.1126/science.1240228 . ПМИД 23990555 . S2CID 8386686 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к Роджерс, Дж. А. (2013). «Явный прогресс в области мягких приводов». Наука . 341 (6149): 968–969. Бибкод : 2013Sci...341..968R . CiteSeerX 10.1.1.391.6604 . дои : 10.1126/science.1243314 . ПМИД 23990550 . S2CID 206551287 .
^ Лю, Ян; Гао, Мэн; Мэй, Шэнфу; Хан, Яньтин; Лю, Цзин (2013). «Сверхсовместимые жидкометаллические электроды с возможностью самовосстановления в плоскости для приводов из диэлектрического эластомера». Письма по прикладной физике . 103 (6): 064101. Бибкод : 2013ApPhL.103f4101L . дои : 10.1063/1.4817977 .
^ Мэдсен, Фредерикке Б.; Даугард, Андерс Э.; Хвилстед, Сорен; Сков, Энн Л. (1 марта 2016 г.). «Текущее состояние преобразователей диэлектрических эластомеров на основе силикона» (PDF) . Макромолекулярная быстрая связь . 37 (5): 378–413. дои : 10.1002/marc.201500576 . ISSN 1521-3927 . ПМИД 26773231 .
^ Кох, SJA; Кеплингер, К.; Ли, Т.; Бауэр, С.; Суо, З. (1 февраля 2011 г.). «Генераторы диэлектрического эластомера: сколько энергии можно преобразовать # x003F;». Транзакции IEEE/ASME по мехатронике . 16 (1): 33–41. дои : 10.1109/TMECH.2010.2089635 . ISSN 1083-4435 . S2CID 11582916 .
^ Арора, Нитеш; Кумар, Прамод; Йоглекар, ММ (2018). «Модулированная форма напряжения для увеличения диапазона перемещения приводов из диэлектрического эластомера» . Журнал прикладной механики . 85 (11): 111009. Бибкод : 2018JAM....85k1009A . дои : 10.1115/1.4041039 . S2CID 116758334 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Ахмед, С.; Унаес, З. ; Фрекер, М. (2014). «Исследование характеристик и свойств приводов из диэлектрического эластомера как потенциального средства приведения в действие структур оригами». Умные материалы и конструкции . 23 (9): 094003. Бибкод : 2014SMaS...23i4003A . дои : 10.1088/0964-1726/23/9/094003 . S2CID 109258827 .
^ Шарма, Атул Кумар; Арора, Нитеш; Йоглекар, ММ (2018). «Динамическая нестабильность при втягивании постоянного тока баллона из диэлектрического эластомера: энергетический подход» . Труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 474 (2211): 20170900. Бибкод : 2018RSPSA.47470900S . дои : 10.1098/rspa.2017.0900 . ПМЦ 5897764 . ПМИД 29662346 .

Дальнейшее чтение

Пелрин, Р.; Корнблу, Р.; Пей, К.; Джозеф, Дж. (2000). «Высокоскоростные электроприводные эластомеры с деформацией более 100%». Наука . 287 (5454): 836–839. Бибкод : 2000Sci...287..836P . дои : 10.1126/science.287.5454.836 . ПМИД 10657293 .
Карпи; Де Росси; Корнблу; Пелрин; Зоммер-Ларсен (2008). «Диэлектрические эластомеры как электромеханические преобразователи: основы, материалы, устройства, модели и применение новой технологии электроактивных полимеров» . Эльзевир . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

Внешние ссылки

«Умные материалы и конструкции» (EAP/AFC) Программа в Empa
Европейская научная сеть искусственных мышц
EuroEAP - Международная конференция по преобразователям из электромеханически активных полимеров (EAP) и искусственным мышцам.
Электроактивные полимерные актуаторы WorldWide * Интернет-хаб : Йозефа Бар-Коэна сборник ссылок в JPL
Ловерич, Джей-Джей; Канно, И.; Котера, Х. (2006). «Концепции нового класса цельнополимерных микронасосов». Лаборатория на чипе . 6 (9): 1147–1154. дои : 10.1039/b605525g . ПМИД 16929393 .
Данфосс ПолиПауэр
Лаборатория биомиметики университета Оклендского
Приводы из диэлектрического эластомера (DESA). Архивировано 12 марта 2012 года в Wayback Machine в Техническом университете Дармштадта.
Проект PolyWEC EU: Новые механизмы и концепции использования электроактивных полимеров для преобразования волновой энергии

[1] «Детали конференции по электроактивным полимерным приводам и устройствам (EAPAD) XV» . Шпи.орг. 14 марта 2013 года . Проверено 1 декабря 2013 г. ( требуется регистрация )

[2] Европейская конференция

[sci1307-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Кеплингер, К.; Сан, Ж.-Ю.; Фу, CC; Ротемунд, П.; Уайтсайдс, генеральный менеджер; Суо, З. (2013). «Растягивающиеся прозрачные ионные проводники». Наука . 341 (6149): 984–7. Бибкод : 2013Sci...341..984K . CiteSeerX 10.1.1.650.1361 . дои : 10.1126/science.1240228 . ПМИД 23990555 . S2CID 8386686 .

[sci1308-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к Роджерс, Дж. А. (2013). «Явный прогресс в области мягких приводов». Наука . 341 (6149): 968–969. Бибкод : 2013Sci...341..968R . CiteSeerX 10.1.1.391.6604 . дои : 10.1126/science.1243314 . ПМИД 23990550 . S2CID 206551287 .

[5] Лю, Ян; Гао, Мэн; Мэй, Шэнфу; Хан, Яньтин; Лю, Цзин (2013). «Сверхсовместимые жидкометаллические электроды с возможностью самовосстановления в плоскости для приводов из диэлектрического эластомера». Письма по прикладной физике . 103 (6): 064101. Бибкод : 2013ApPhL.103f4101L . дои : 10.1063/1.4817977 .

[6] Мэдсен, Фредерикке Б.; Даугард, Андерс Э.; Хвилстед, Сорен; Сков, Энн Л. (1 марта 2016 г.). «Текущее состояние преобразователей диэлектрических эластомеров на основе силикона» (PDF) . Макромолекулярная быстрая связь . 37 (5): 378–413. дои : 10.1002/marc.201500576 . ISSN 1521-3927 . ПМИД 26773231 .

[7] Кох, SJA; Кеплингер, К.; Ли, Т.; Бауэр, С.; Суо, З. (1 февраля 2011 г.). «Генераторы диэлектрического эластомера: сколько энергии можно преобразовать # x003F;». Транзакции IEEE/ASME по мехатронике . 16 (1): 33–41. дои : 10.1109/TMECH.2010.2089635 . ISSN 1083-4435 . S2CID 11582916 .

[8] Арора, Нитеш; Кумар, Прамод; Йоглекар, ММ (2018). «Модулированная форма напряжения для увеличения диапазона перемещения приводов из диэлектрического эластомера» . Журнал прикладной механики . 85 (11): 111009. Бибкод : 2018JAM....85k1009A . дои : 10.1115/1.4041039 . S2CID 116758334 .

[ReferenceA-9] Перейти обратно: ^а ^б Ахмед, С.; Унаес, З. ; Фрекер, М. (2014). «Исследование характеристик и свойств приводов из диэлектрического эластомера как потенциального средства приведения в действие структур оригами». Умные материалы и конструкции . 23 (9): 094003. Бибкод : 2014SMaS...23i4003A . дои : 10.1088/0964-1726/23/9/094003 . S2CID 109258827 .

[10] Шарма, Атул Кумар; Арора, Нитеш; Йоглекар, ММ (2018). «Динамическая нестабильность при втягивании постоянного тока баллона из диэлектрического эластомера: энергетический подход» . Труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 474 (2211): 20170900. Бибкод : 2018RSPSA.47470900S . дои : 10.1098/rspa.2017.0900 . ПМЦ 5897764 . ПМИД 29662346 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]