锥形电活性聚合物薄膜作动器的力电响应研究

以一款锥形电活性聚合物薄膜作动器为研究对象,选用Ogden材料模型对作动器进行数值计算。控制外力变化,对薄膜在变形状态下的应变量、厚度及临界电场强度进行分析,研究了预拉伸对薄膜力电稳定性的影响。结果表明:外力增加会显著提高薄膜内各点的径向应变,减小膜厚,并使得临界电场强度的分布发生改变;薄膜预拉伸程度的增加,也会提高薄膜临界电场强度,使得薄膜的力电稳定性得到增强。

电活性聚合物材料研究进展

电活性聚合物可用于仿生机器人的多功能(组合驱动、结构和传感)类肌肉执行器、微机电系统(MEMS)、智能皮肤、触觉显示等。目前该材料应用技术问题包括耐用性、工作电压和功率要求,以及尺寸、成本等。因此,如果要将该材料集成到产品和智能材料系统中,则还需要进一步开发。文中综述电活性聚合物的驱动原理,介绍了现有相关的驱动器技术及与该材料相关的一些发展,总结了近年来电活性聚合物相关实验研究并提出未来发展中可能存在的问题,该材料独特的性能充分展现了其具有不可估量的应用前景。

基于CMWCNT/Nafion的增强型离子聚合物金属复合材料的制备及致动性能

离子聚合物金属复合材料(IPMC)是一种新型的电活性材料,具有体积小、质量轻、驱动电压低等优点,但驱动力小、稳定工作时间短等问题限制着其柔性致动性能。提出了一种基于银基IPMC的增强型致动器,通过在IPMC的基底聚合物中掺杂羧基化多壁碳纳米管(CMWCNT),来提高IPMC的整体机械性能和致动性能。其中,掺杂质量分数0.5%CMWCNT的IPMC的最大尖端位移和驱动力分别增加至未优化银基IPMC的1.60倍与2.32倍,该性能的提升归因于CMWCNT良好的导电性和羧基对水合阳离子迁移的加速作用。与未优化的银基IPMC相比,掺杂质量分数0.5%CMWCNT时IPMC驱动速率可提升至3.57倍。研究结果可为IPMC在各领域的应用发展提供参考。

电活性聚合物发电基本原理及应用研究

剖析了电活性聚合物在静电场中机械能和电能相互转换的内部机理,主要针对电活性聚合物发电原理进行分析研究。在不考虑能量损耗的理想前提下,探讨电活性聚合物在发电过程中3种能量循环过程。最后,采用丹佛斯生产的电活性聚合物(DEAP)材料,建立了电活性聚合物发电机实验装置平台,分析恒电荷状态下收集能量过程。试验验证了电活性聚合物发电原理。实验结果表明,作为新型智能材料的电活性聚合物在发电应用领域前景广阔。

电活性聚合物发电机理

为了推动电活性聚合物(DEAP)的发电产业化,本文根据电活性聚合物材料的电致大应变特性,分析了该材料的应力应变及本构模型。在此基础上,分析电活性聚合物的有效工作区域,揭示电活性聚合物在静电场中机电耦合及能量转换的内部机理,并研究了该材料的发电机理。最后,仿真研究了能量转换效率与应力应变的关系。根据能量循环过程,提出了恒电荷能量收集模型。采用丹佛斯生产的硅树脂超弹性材料,构建了DEAP发电实验平台,采用仿真及实验研究验证了电活性聚合物发电机理。仿真结果表明:电活性聚合物工作在应变为25%,激励电压为1.3kV时,能到达最大的能量密度,约为5.8mJ/cm3。实验结果表明:应变越大,收集能量越大,与理论分析越吻合.

仿生材料电活性聚合物“人工肌肉”的研究进展

自古以来,自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。20世纪中期,人们越来越深刻认识到大自然的启发对于开发新材料和新技术的重要性,从而提出仿生学概念并建立仿生学这一学科。随着研究的发展,仿生学已成为自然科学的一个前沿和焦点。进入21世纪以来,随着机器人开发的不断深入以及人们对智能机械系统的强烈需求,作为机器人和智能机械系统驱动关键的人工肌肉已成为仿生领域的研究重点。电活性聚合物驱动器具有应变高、柔软性好、质轻、无噪声等特点,与肌肉有着极为相似的特性,甚至在一些方面的性能已经超过了肌肉,被公认为是最合适的仿肌肉材料,称之为"人工肌肉"。近二十年来,在电活性聚合物驱动材料方面取得的研究进展使得仿生的"人工肌肉"研究得以飞速发展。

新型智能材料:电活性聚合物的研究状况

电活性聚合物(electroactive polymer, EAP)是一种智能材料,具有特殊的电性能和机械性能.本文综述了不同类型电活性聚合物材料的国内外研究现状.按照作用机理的不同,电活性聚合物主要分为两大类:电子型和离子型.电子型EAP材料在直流电场作用下可产生诱导位移,但是需要较高的激励电场(＞100V/μm);离子型EAP材料可以在较低电压下(1～2V)产生诱导弯曲位移,但是需要保持一定的湿润度,而且在直流电场激励下很难保持稳定的诱导位移.本文还介绍了电活性聚合物材料的应用领域和发展前景.由于其显著的电致伸缩响应,电活性聚合物被应用于驱动器和传感器,而且在仿生领域具有更广阔的应用.此外,透明度较高的EAP材料可被用于光学设备上.目前,电活性聚合物的应用还处于尝试阶段,但是,其独特的性能决定了这种材料具有不可估量的应用前景.

活性炭载体对聚合物电解质膜燃料电池中炭载铂电催化剂性能的影响

分别以松木炭和VulcanXC 72炭为载体制得炭载铂电催化剂 ,在聚合物电解质膜燃料电池 (PEMFC)中对其性能进行了比较。结果表明 :VulcanXC 72炭作载体的电催化剂性能显著优于松木炭作载体的电催化剂 ,利用多种分析方法对活性炭的物理和表面化学性质进行了系统的研究 ,发现活性炭的孔径。

电活性聚合物微型发电机

通过实验分析了电活性聚合物在静电场中将机械能转换为电能的内部机理,研究了电活性聚合物发电原理,定量分析了电活性聚合物产生的电能。运用非线性连续介质力学理论,分析了Yeoh模型、Mooney-Rivlin模型和Ogden模型的不同应变能函数,建立了电活性聚合物变形特性的数学模型。讨论了电活性聚合物在不同状态下的力学特性,构建了能量收集方程及运动学方程。最后,基于电活性聚合物发电原理,采用丹佛斯生产的电活性聚合物材料建立了风力发电机实验装置平台。实验结果表明:电活性聚合物在10%应变状态下,充电电压为1200V时,一次循环收集的电能为13.7mJ。这些实验为电活性聚合物致动器、传感器和微型发电机的研究奠定了理论基础。

电活性聚合物的力学性能及发电应用

依据电活性聚合物机械能向电能的转换机理,研究电活性聚合物发电原理.采用Mooney-Rivlin模型建立了电活性聚合物变形特性的数学模型,分析了材料在不同状态下的力学特性.并分析了电活性聚合物在静电场中的受力情况,能量收集方程及运动学方程.采用丹佛斯生产的电活性聚合物材料,构建电活性聚合物风力发电机实验平台;通过大量的实验研究,分析实验数据和现象,结果证实了电活性聚合物发电的原理.

介电型电活性聚合物圆柱驱动器特性

介电型电活性聚合物(Electroactive polymer,EAP)驱动器的动、静态特性是其合理使用及优化设计的重要依据。构建圆柱形驱动器几何模型描述其几何变形,结合EAP膜机电耦合方程推导驱动器轴向线性运动的动力学方程。驱动器的电压-位移数值计算结果显示内外层EAP膜柔性电极涂覆方式会影响驱动器位移。基于驱动器的电压位移关系,对其主要失效形式进行讨论。将基于neo-Hookean弹簧的1个时间常数黏弹性模型修正为具有2个时间常数的模型,并将2种模型运用于阶跃和周期电压激励下的驱动器动态响应研究。理论计算与试验结果的对比分析表明,2个时间常数的黏弹性模型对驱动器的动态位移描述更为准确。在周期激励电压下,提高频率会显著减小驱动器位移幅值,驱动器的'激励死区'会减小其振动中心偏移及振动幅度。

介电型电活性聚合物能量收集方法研究

介电型电活性聚合物(DEAP)作为一种新型智能材料,与风力、水力相结合,可作为一种新的能量收集方法。研究DEAP能量收集的可行性,讨论了DEAP的发电机理和工作过程。根据换能器工作状态的形变过程,利用弹性大变形理论建立了DEAP换能器的数学模型,通过对模型的求解计算出换能器推程、回程的力-位移曲线。据此,得出DEAP换能单元工作过程输入的机械能、发电量和相应能量转换效率。提出了一种多换能器集成使用以提高系统发电效率的方法。理论分析和试验数据表明:初始电压和拉伸位移是影响发电量、能量转换效率的关键因素。随着多换能单元的应用,系统的总效率可提高到28%以上。同时,外界输入扭矩的数值波动越来越小。

介电型电活性聚合物驱动转动关节控制技术研究

介电型电活性聚合物(Dielectric electroactive polymer,DEAP)具有大应变、高效率、高能量密度等优点,在仿生机器人领域具有广泛的应用前景。基于生物关节驱动原理及圆柱形驱动器特点设计了单自由度转动关节。根据弹性大变形理论建立驱动器DEAP膜的机电耦合模型,通过微分方程组的迭代求解可获得关节输入电压与输出角度之间的非线性关系,但计算工作量大。将小脑模型关节控制器CMAC(Cerebellar model articulation controller)神经网络与PD控制器相结合实现输出角度与输入电压之间的非线性映射,避免了复杂计算过程。阶跃和正弦参考信号的跟踪控制试验验证了CMAC神经网络控制的可行性。

介电型电活性聚合物传感单元设计

基于介电型电活性聚合物(DEAP)变形时的电容变化原理,设计并实现一种传感单元,其内框可在平面内移动,用于检测平面位移。建立该传感单元的几何模型,得出其电容变化和内框位移的关系。采用差动测量法测量敏感单元电容变化,建立了面对面敏感单元的电容差值和内框平移量的关系。利用该传感单元设计了一个二自由度角度传感器用来测量关节转角,同样采用差动测量法建立了电容差值和转角的关系。实验测得其沿X轴和Y轴平移灵敏度为-57.2 pF/mm和-58.0 pF/mm,绕X轴和Y轴旋转灵敏度为-139.4 pF/(°)和141.6 pF/(°)。测试结果与分析结果较为吻合,验证了DEAP应用于位移传感器和角度传感器的可行性。

介电型电活性聚合物圆柱形驱动器的驱动效率

研究了介电型电活性聚合物(DEAP)驱动器的机电能量转换机理、能量损耗和驱动效率。建立了驱动器机电能量转换模型,并通过试验测算了驱动器等效电路的模型参数,分析了电极材料等因素对DEAP相对介电常数的影响。深入研究了驱动器漏电流损耗,试验验证了漏电流对驱动器性能的影响。最后,设计了驱动器驱动试验台,完成了不同行程的准静态驱动试验,数值计算了驱动器的驱动效率。结果表明:由于等效电路电容未参与能量转换,驱动器机电转换效率分别为17.6%和25.6%。低电压、小行程驱动时,试验误差与理论分析误差不超过15%;而高电压、大行程驱动时,DEAP膜的漏电流等非线性因素使其驱动效率变化明显。该结果可为DEAP圆柱形驱动器的优化设计及合理使用提供指导。

基于电活性聚合物薄膜柔性器件的触觉传感特性

针对电活性聚合物（EAP）薄膜制造柔性智能器件的发展要求,分析了电活性聚合物薄膜的正/逆力-电特性及发电机理,采用静电诱导自组装技术在电活性聚合物表面制备了碳纳米管薄膜电极,然后构建了柔性传感器件.实验研究了EAP柔性器件的手指关节弯曲姿态及脚踏运动触觉的传感特性.扫描电子显微（SEM）形貌观察表明：碳纳米管薄膜呈网状结构且质地致密均匀.基于EAP柔性器件的手指弯曲姿态实验结果表明：在手指弯曲度为15～90°时,输出电压峰值为1.2～3.7V,展示了输出电压峰值与手指弯曲度之间的高线性度,线性相关系数为0.9951.此外,采用EAP薄膜器件对踏步触觉进行了实验测试,其输出电压峰值在1V左右,而且具有响应快、可重复性好等优势.本文的研究为电活性聚合物薄膜型电子皮肤及触觉传感器的发展提供了理论基础和实验依据.

电活性超支化聚合物的合成与性质

通过分子设计,利用A2+B3反应合成了一种新型电活性超支化聚合物材料.该材料在保持聚苯胺的电活性基础上,还具有超支化聚合物特有的低黏度(其特性黏度为0.33 dL/g)、低结晶性及良好的溶解性.利用紫外-可见光谱对聚合物的氧化过程进行了监测.热失重分析显示,该材料具有较好的热稳定性,失重10%时的温度高达517℃.该材料具有较高的介电常数,有望成为一种具有实际应用价值的高介电材料.

介电型电活性聚合物圆柱形驱动器结构参数分析

介电型电活性聚合物圆柱形驱动器结构简单,能输出较大的位移和力,对其结构参数进行分析是优化设计及合理使用驱动器的基础。通过建立圆柱形驱动器的几何模型分析了驱动器轴向伸长及径厚比对各层膜厚度变化的影响;基于圆柱形驱动器失效模式分析,揭示了结构参数(驱动器膜的预拉伸、卷绕层数、弹簧参数等)对驱动器输出性能的影响。结果表明,驱动器伸长时,小径厚比及较多驱动器膜卷绕层数会使各层膜厚度变化差异显著;基于圆柱形驱动器结构特点,驱动器膜的电击穿、弹簧驱动'失力'及其最大压缩极限变形等失效模式是影响其许用工作范围的主要因素;增加驱动器膜的预拉伸且使其周向延伸率略大于轴向,可获得较佳的综合输出性能;由于层间压力的影响,单独、过多地增加层数对输出性能的提高效果不明显;减小弹簧刚度与长度均能提高驱动器轴向伸长率,但其轴向输出位移量却产生不同变化,同时要注意避免驱动器计算力差超过弹簧预压缩力的情况。

介电型电活性聚合物驱动器机电耦合特性

研究了介电型电活性聚合物（DEAP）的机电耦合特性，分析了电场作用下DEAP的受力情况，结合超弹性理论建立了DEAP的非线性机电耦合本构模型。对电场作用下圆形结构DEAP驱动器的变形行为进行建模研究，给出Yeoh形式的DEAP本构方程、平衡方程和边界条件。通过求解微分方程组得出DEAP驱动器薄膜中的主延伸率和主应力分布，同时分析了预拉伸率、驱动器主动区域面积及激励电压对驱动器变形的影响。利用试验研究了电激励下的圆形驱动器变形行为，试验结果与理论分析比较吻合，从而验证了本构模型的正确性。研究表明：预拉伸率取值为3～4比较合适。

一种介电型电活性聚合物材料的非线性超弹性模型

介电型电活性聚合物(Electroactive polymer,EAP)材料的应力应变本构模型是进行EAP驱动器设计和优化的基础。提出一种由非线性弹簧组成的、具有空间网状结构的EAP膜超弹性模型,基于能量法推导出其应力变形关系式,并揭示该模型与Ogden模型之间的关系。采用单轴、等双轴拉伸试验分别对相关模型参数进行拟合,利用该结果对等双轴、单轴拉伸的受力进行预测和对比分析。根据不同条件拟合出的材料参数进行试验预测时,其结果与实际值存在一定差异,提出对单轴、等双轴拉伸试验数据进行综合拟合的方法。采用综合拟合方法后模型分析精度得到很大提高。分析结果表明,3参数的非线性超弹性模型能较准确描述两种试验条件下的EAP膜应力变形关系,模型参数的拟合数据宜选与其工作条件相近的试验方法获取。