基于介電彈性體面積應變特性的實驗研究

摘 要:電場活化聚合物在直流電場作用下會產生大幅度的應變，通過本次實驗研究影響介電彈性體材料激活區(電極涂層區域)面積應變的主要因素，尋找激活區面積應變和這些影響因素之間的關系，進而根據它們之間的關系確定能獲得所需激活區面積應變的合適條件。文中對材料分別從單軸預拉伸、均勻雙軸預拉伸、非均勻雙軸預拉伸等方面作實驗分析。

關鍵詞:介電彈性體 預拉伸 電極材料 面積應變

中圖分類號:TM282文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)04(a)-0044-02

1 引言

電活性聚合物的種類包括:導電橡膠、離子交換膜金屬復合材料、凝膠體、納米管及介電彈性體等。其中介電彈性體被認為是最具前景的一類材料，其中以丙烯酸彈性體和硅樹脂彈性體最具有代表性。介電彈性體既可正向使用，其特性柔軟、質量輕，被稱為人造肌肉，在未來新一代柔性致動器、傳感器領域極賦應用潛力，例如可用于微小型機械、機器人，尤其是仿生機器人的柔性電致動。

介電彈性體材料兩個相對表面覆蓋上柔性電極，當電極上施加電壓時，彈性體將發生厚度和面積的變化:厚度減小而面積擴大。其原理如下:當電極上施加電壓時，上下兩個電極上的異性電荷相互吸引而每個電極上的同性電荷相互排斥，當這個力足夠大時就能觀察到介電膜明顯的運動。當然，覆蓋在兩個面上的電極必須是柔性的。彈性體材料膜型驅動器就是依據這種原理制成的。

目前，對介電彈性體材料的研究主要集中在驅動領域，如美國的斯坦福研究所、伊利諾斯州大學，歐洲的愛爾蘭、英國、意大利等國家及日本的幾個公司。其中，美國的AMI(Artificial Muscle Inc.)公司專門開發基于電活性聚合物的新型技術平臺，目前服務于基于該材料的包括工業、醫療、消費、汽車及航天等領域的大約40億美元的市場，但是我國在該領域開展的研究很少。因此，該項研究具有切實的意義。

本文通過實驗研究影響介電彈性體材料激活區(電極涂層區域)面積應變的主要因素，尋找這些主要影響因素和材料激活區面積應變之間的關系，目的是更深地了解彈性體材料的電致特性規律，為其以后在器件設計及實際應用方面奠定基礎。

2 實驗裝置

2.1 實驗材料

丙烯酸聚合物，石墨粉及相關材料。

2.2 實驗設備及儀器

WWL-LSG31精密線性高壓大功率直流穩壓穩流電源、CCD激光位移傳感器LK-G系列，萬用表，保護電阻，引出電極(銅片)，絕緣膠布，絕緣塑料板(中心開圓形窗口半徑分別為30mm和40mm)，絕緣底座，數碼相機等等一系列實驗相關配套器材。

2.3 實驗裝置構成

將丙烯酸聚合物薄膜預拉伸一定比例后粘在絕緣塑料板上，再將準備好的圓形塑料電極模板分別粘在預拉伸好的薄膜正反兩表面，然后將中央圓形部分涂上電極材料，再用條狀銅片作為引出電極分別粘在兩表面，最后將絕緣塑料板固定在絕緣底座上，并與高壓直流電源相連。

在實驗中將數碼相機固定在三角架上，用于記錄實驗現象，用基于B樣條小波的圖像邊緣提取技術對采集的圖像進行處理，然后再利用CAD軟件本身自帶的面積計算功能計算出激活區域在變形前后的面積，從而再比較精確的計算出面積應變。實驗過程中將電壓慢慢加至薄膜崩潰或者出現明顯皺褶為止，用攝相機記錄下整個變化過程，便于以后處理數據。如圖1給出了薄膜通電前后的變形圖。

3 實驗結果與分析

3.1 不同預拉伸與面積應變的關系

預拉伸分單軸預拉伸和雙軸預拉伸，單軸預拉伸指在一條直線上將薄膜進行一定比例的預拉伸，比如100%的單軸預拉伸是指將薄膜在某一方向上的長度拉伸到原來的2倍。而雙軸預拉伸指在互相垂直的兩條直線方向上將薄膜進行一定比例的預拉伸。

3.1.1 單軸預拉伸對面積應變的影響

單軸預拉伸產生的面積應變比較小，但在一定預拉伸范圍內，總體上的趨勢是面積應變隨著預拉伸量的增大先是增大，隨后會減小，說明激活區的面積應變在變化過程中有拐點，如圖2所示。而且激活區域的形狀由正圓慢慢變成橢圓形，橢圓的長軸和預拉伸的方向垂直，如圖3(a)、(b)所示。即激活區在沒有預拉伸的方向上比預拉伸方向上變化更大一些，這是由于在沒有預拉伸方向上比預拉伸方向上激活區的應變潛力更大一些(彈性體薄膜在保持超彈性的基礎上其總應變是有限度的)，所以其在沒有預應變的方向上變化更大一些。當外加電壓增加到一定值時激活區還會出現規則的皺褶，皺褶的紋理走向和預拉伸的方向一致，如圖3(c)所示。這是由于薄膜在預拉伸過程中本身出現的拉伸不均勻造成的，當薄膜的內應力與外加電壓產生的麥克斯韋力瞬間不平衡時(瞬間不平衡，主應力變化跟不上麥克斯韋壓力的變化)，擴大了這種拉伸不均勻，從而使得激活區出現了明顯的皺褶。

3.1.2 雙軸預拉伸對面積應變的影響

雙軸預拉伸又分為均勻雙軸預拉伸和非均勻雙軸預拉伸。均勻雙軸預拉伸指在兩個方向上的預拉伸量相同，反之，非均勻預拉伸指在兩個方向上的預拉伸量不同。

首先，考慮均勻預拉伸對激活區面積應變的影響。激活區面積應變的大小是隨著預拉伸的增大還是先增大，后來又慢慢減小，即在變化過程中存在拐點，如圖4所示。并且根據實驗數據可以確定激活區的面積應變出現拐點的位置在預拉伸為200%的時候。激活區的面積應變之所以會出現拐點是由于薄膜本身的應變是有限的，當其應變超過其極限值時薄膜就會破裂，所以當其預應變達到某一值時必然會出現最大面積應變，即會出現拐點。

其次，非均勻預拉伸對激活區面積應變的影響類似于單軸預拉伸對激活區面積應變的影響。即在一定預拉伸范圍內，總體上的趨勢還是面積應變隨著預拉伸量的增大先是增大，隨后會減小，如圖5所示。而且激活區域的形狀呈橢圓形，橢圓的長軸和預拉伸量小的方向一致，即激活區在預拉伸量小的方向上比預拉伸量大的方向上變化更大一些，這是由于在預拉伸量小的方向上預拉伸量大的方向上激活區的應變潛力更大一些。

3.2 外加電壓與面積應變的關系

外加電壓對激活區面積的應變影響是很大的，總體是激活區的面積應變隨著外加電壓的增大而增大，如圖6所示是薄膜在預拉伸為一定值時其激活區面積應變隨著外加電壓的變化情況。從圖中可以看出激活區面積應變的非線性變化隨著外加電壓的增大越來越明顯。出現這種現象的原因是薄膜不是完全理想的彈性體，并非理想的不可壓縮，而且隨著應變的增大薄膜的各向異性也越明顯，導致麥克斯韋力與薄膜內應力之間的不平衡，使得激活區面積應變產生了明顯的非線性變化，最后還會導致薄膜表面出現皺褶甚至破裂。

4 結論

實驗結果顯示:不論單軸預拉伸還是雙軸的均勻與非均勻預拉伸，對激活區面積應變影響的總趨勢都是隨著拉伸量的增大先增大后減小，且激活區面積應變隨著外加電壓的增加而增大。不論薄膜是單軸預拉伸還是雙軸的均勻與非均勻預拉伸，對激活區面積應變的影響的總趨勢都是類似的，隨著拉伸量的增大先增大后減小，即存在拐點，進而說明薄膜在外加電壓的作用下要產生最大的應變需要合適的預拉伸，而不是預拉伸越大越好。通過分析實驗結果發現，尋找合適的條件對激活區產生所需的面積應變很重要。

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