一種新型柔性靜電吸附變剛度結構

劉晨,李卓遠,陳花玲

(西安交通大學機械結構強度與振動國家重點試驗室,710049,西安)

變剛度材料和變剛度技術可應用于機械結構的主動吸振以及房屋、橋梁等建筑的抗震等,不論是在科學研究還是在工程應用中,都有著舉足輕重的作用[1-2]。

目前,可應用于變剛度的智能材料類型主要有形狀記憶合金,壓電陶瓷等[3-4]。其中,形狀記憶合金是通過相變達到變剛度的效果,因而其剛度變化不連續,且響應速度較慢[5-6];壓電陶瓷可實現剛度連續變化,響應速度快,但其剛度變化范圍較小,且難以適應各種曲面結構剛度的變化[7]。因此,單純通過某一材料達到令人滿意的變剛度效果比較困難。

實現變剛度的技術有電流變技術、磁流變技術、氣壓調節技術、變剛度彈簧等[8-9]。其中,電流變技術是利用電流變液的流變性質在電場中會發生快速且可逆的調節作用而改變剛度的[10-11],但在實際應用中,電流變液的沉降性及再分散性等問題制約了其廣泛應用。磁流變技術包括了磁流變液及磁流變彈性體兩種類型。磁流變液與電流變液變剛度機理相似,所不同的是利用磁場而不是電場調節其剛度。磁流變彈性體作為一種新型智能材料,應用于吸振器時剛度可通過外加磁場控制[12-13],可克服磁流變液的沉降性,但磁流變彈性體的磁流變效應尚不夠大[14]。氣壓調節變剛度技術在仿生領域有著重要影響[15-16],然而氣壓調節需要氣泵、氣路元件等較為笨重的設備,對一些要求設備輕便的場合不適用。變剛度彈簧屬于傳統變剛度技術,穩定可靠,但結構較為復雜,形狀固定,適用對象有限。

如前所述,變剛度結構常應用于結構的減振器中。為了提高減振器的性能,我們既希望其具有結構簡單、便于控制的變剛度特性,也希望具有一定柔性,從而可適應于不同結構或形狀的減振器的剛度調節。顯然,已有的剛度調節技術難以滿足上述要求。

近年來,靜電吸附技術以不破壞被吸物品、吸力可控等優勢而發展迅速。目前的靜電吸附技術主要用于吸附物品,如應用于機器人的抓手時可以吸附、抓取外形不規則的物體[17],應用于爬墻機器人的足體時可攀爬不同角度的豎直表面[18]。

鑒于現有變剛度技術存在的局限性,本文提出了一種新型柔性靜電吸附變剛度結構,由于靜電吸附原理是利用電直接調節,因此結構簡單、變剛度控制方便,且因為整個結構都為柔性材料所制,因此可以在任何形狀下完成變剛度的要求。

1 柔性變剛度結構原理及設計

1.1 靜電吸附原理

靜電吸附基本原理是利用金屬電極與被吸物件表面形成的電容系統實現的[19]。如圖1所示,金屬電極正負交錯排列構成靜電吸附層,電極寬度為a,極間距離為d1,正極與負極之間形成電場,分為主電場和邊緣電場。主電場線只穿過靜電吸附層內部,而邊緣電場將會穿過靜電吸附層周圍的空間,并會引起被吸物件表面的極化,使物件表面聚集與附近電極極性相反的電荷,這些電荷的聚集將使物件與靜電吸附層的電極之間產生電場力,進而達到電極吸引物件的效果[20]。

圖1 靜電吸附原理圖

電極與被吸物件表面的相對介電常數為

εr=k1εr1+k2εr2+k3εr3

(1)

式中:εr1為電極封裝層相對介電常數;εr2為空氣相對介電常數;εr3為被吸物件表面相對介電常數。

靜電吸附力計算公式為[21]

(2)

式中:d為電極與被吸物件表面的距離;a為電極寬度;l為電極長度;A為電極的有效面積;ε0為真空介電常數;U為所加電壓。

由式(2)可知,靜電吸附力F與所加電壓U的二次方成正比關系,與被吸物件材料的相對介電常數εr成正比。此外,a、A、d以及d1等幾何參數均會影響靜電吸附力大小,其影響關系由式(2)可獲得。

1.2 柔性變剛度結構的設計

根據靜電吸附原理,在本文設計中,為了通電后產生較大的靜電吸力,電極采用密集排布的梳齒交叉電極以增大有效吸附面積。為了實現柔性變剛度結構,本文的靜電吸附層的電極采用模量較小的硅橡膠混合材料制成,用以代替傳統的金屬電極。靜電吸附層的其他組成部分亦采用硅橡膠混合材料制作而成,使其整體具有較小的模量,從而可以實現拉伸、扭轉、彎曲等動作,使裝置可以滿足在不同形態下的靜電吸附工作,這對于各種形態下的變剛度要求具有重要價值。為此,本文設計的柔性變剛度結構如圖2所示,由靜電吸附層和中間夾層構成。

圖2 變剛度結構示意圖

(a)結構通電前狀態

(b)結構通電后狀態

該結構工作原理如圖3所示,即未施加電壓時,靜電吸附層與中間夾層并沒有緊密貼合,中間夾層材料內部的正負電荷隨機分散排布(如圖3a所示)。若存在外界拉力F作用于靜電吸附層的兩端時,靜電吸附層可以自由變形,此時該結構剛度較低;當對靜電吸附層施加電壓后,中間夾層被極化,正負電荷有序排列,靜電吸附層吸附并壓緊中間夾層,產生靜電吸附力P(如圖3b所示)。當外界拉力F作用于靜電吸附層的兩端時,由于產生靜電吸附力,增大了靜電吸附層與中間夾層間的摩擦力f,靜電吸附層的變形將受到較大的限制,相當于結構整體剛度得到了提高。

2 靜電吸附結構制作工藝

圖4a是本文設計的靜電吸附層結構示意圖,圖4b是實物圖,由基底、電極、封膜3部分構成。其中,基底材料選用Ecoflex 00-20型硅橡膠與鈦酸鋇納米顆粒的混合物,電極材料選用導電碳膏與硅橡膠的混合物,封膜材料選用186型硅橡膠。需要強調的是,由于靜電吸附結構利用的是電場效應而非電流效應,因此盡管由導電碳膏和硅橡膠混合物制備而成的電極材料電阻率比傳統的金屬材料電極大,但并不影響靜電吸附結構的正常工作。

(a)靜電吸附層結構示意圖

(b)靜電吸附層實物圖

制備柔性靜電吸附層的工藝為:首先使用脫泡攪拌機將基底原材料混合均勻,然后使用流延機在聚酯薄膜(PET)上流延一層基底;待其加熱固化后,將事先用激光切割機切好的電極層掩膜版黏附在基底上,再使用流延機在基底上流延一層電極材料;流延完成后立刻將掩膜版取下并對電極材料加熱至其固化;接著在電極層上流延一層封膜,并加熱使其固化;最后利用刀片或激光切割機將靜電吸附層從PET薄膜上取下。

通過控制流延速度等參數,可對靜電吸附層3個組成部分的厚度進行定量控制,本文將基底層厚度控制在200～400 μm,電極層厚度控制在100～200 μm,封膜層厚度控制在200～400 μm。

將制作好的兩個靜電吸附層與夾層按圖2方式排布,做成三明治結構,并將靜電吸附層的四周用硅橡膠粘合形成一個整體。

3 測試裝置及測試方法

3.1 剛度調節性能測試方法

圖5所示為剛度調節測試原理示意圖。將結構整體夾持在拉力儀上進行拉伸試驗,對結構施加電壓,觀察其剛度變化。這里,將結構的等效剛度定義為拉伸剛度

k=P/δ

(3)

式中:P為拉力,N;δ為變形量,m。

剛度變化率β定義為

β=Δk/k0

(4)

式中:k0為受載且不施加電壓條件下的結構剛度;Δk為施加電壓后與未施加電壓時剛度之差。

圖5 剛度調節測試原理示意圖

3.2 靜電吸附力測試方法

圖6所示為靜電吸附力測試原理示意圖。將銅片固定在載物臺1的下表面,靜電吸附層固定在載物臺2的上表面,調整載物臺1的高度,使得銅片下表面與靜電吸附層上表面恰好接觸。對靜電吸附層施加一直流電壓,使其產生靜電吸附力并吸附銅片,緩慢抬升載物臺1,直至靜電吸附層與銅片彼此脫離,讀出最大拉力,此拉力即為在該電壓下靜電吸附層對銅片產生的靜電吸附力。

圖6 靜電吸附力測試原理示意圖

4 測試結果及分析

為了探索影響剛度調節效果的各種因素,本文做了5組不同的對比試驗,探究了不同靜電吸附層加電層數、不同夾層材料、不同夾層厚度、不同電壓、不同封膜厚度等各種因素對結構工作效果的影響。另外,通過靜電吸附力試驗探究了電壓、靜電吸附力、剛度變化率3者之間的對應關系。

4.1 單層與雙層靜電吸附層加電對比試驗及結果

變剛度結構靜電吸附層1和2同時加電的變剛度效果如圖7a所示,只有靜電吸附層1加電的變剛度效果見圖7b。

(a)雙層加電原理

(b)單層加電原理

單層與雙層靜電吸附層加電對比試驗結果如圖8所示。由圖8可見:電壓加至4.0 kV時,單層加電的剛度幾乎沒有明顯變化,而同樣電壓下雙層加電的剛度變化率β已經超過40%;電壓加至5 kV時,單層加電的剛度變化率β在10%左右,雙層加電的剛度變化率β達到65%。試驗數據表明雙層加電的工作效果優于單層加電。

圖8 單層、雙層靜電吸附層加電試驗結果

分析上述試驗結果的原因可知:單層加電僅有靜電吸附層1吸附中間夾層,此時的靜電吸附層2與中間夾層之間沒有吸附力,二者彼此分離,因此摩擦力只存在于靜電吸附層1和中間夾層之間;雙層加電時,靜電吸附層1與靜電吸附層2同時吸附中間夾層,3者緊密貼合,因此靜電吸附層1、2與中間夾層之間都存在摩擦力。

所以,施加同樣的電壓時,雙吸附層結構的剛度變化會比單吸附層結構明顯。另外,圖8顯示電壓加至4.5 kV之前,單吸附層結構剛度幾乎無變化,原因是由于電壓較低,且僅有一層吸附層吸附中間夾層,摩擦力相對較小,此時施加拉力時,容易導致靜電吸附層與中間夾層脫離,所以結構剛度變化不明顯。

4.2 夾層材料對比試驗及結果

為了探究夾層材料對結構變剛度的影響,我們分別針對厚度近似為50 μm的銅片和A4紙的夾層材料做了對比試驗,變剛度結構采用圖7b所示結構,試驗結果如圖9所示。由圖9可見,同樣厚度條件下,結構夾層使用銅片比使用A4紙剛度變化明顯,電壓在5 kV時,夾層為A4紙的結構剛度變化率約為40%,而夾層為銅片的結構剛度變化率達到67%左右。

圖9 不同夾層材料試驗結果

當外部施加電壓條件相同時,材料越易被極化,內部因極化的正負電荷分布就越集中,產生的靜電吸附力越大,靜電吸附層與中間夾層之間的摩擦力就越大,結構變剛度效果越明顯。

4.3 夾層厚度對比試驗及結果

為了觀察不同厚度的夾層對結構變剛度效果的影響,對不同厚度的銅片做了對比試驗,結果如圖10所示。可以發現,同樣的電壓條件下,夾層為110 μm銅片的結構與夾層為50 μm銅片的結構剛度變化效果基本一致。

圖10 不同厚度銅片試驗結果的比較

由式(2)可知,同樣的夾層材料,極化效果相同,所以同樣電壓條件下,產生的靜電吸附力相同,夾層與吸附層之間摩擦力一樣,因此厚度并不會改變吸附效果,也就不會引起結構剛度變化的不同。

4.4 電壓對比試驗及結果

通過對結構夾層的探究與試驗,發現夾層材料、厚度等因素都會影響結構的變剛度效果,除此之外,由式(2)可以看出,在影響靜電吸附力的因素中,電壓與靜電吸附力成正相關。因此,本小節在結構負載不變的情況下,研究結構剛度與施加電壓之間的關系,結果如圖11所示(圖中為5次試驗的結果)。由試驗結果可以看出,在電壓從0增大到5.5 kV的過程中,該結構的剛度逐漸增大,且剛度變化率隨電壓的增加近似線性增大。

圖11 電壓升高及降低過程中剛度變化的試驗結果

圖11還給出了電壓降低過程(從5.5 kV減小到0)中結構剛度的變化情況。從圖11可以看出,電壓升高與降低過程中剛度變化曲線基本吻合,說明該結構不存在遲滯現象。

4.5 封膜對比試驗及結果

由式(2)可知,靜電吸附力除了受電壓的影響外,也受電極與被吸物件表面的距離d的影響,在本文的結構設計中,它就是靜電吸附層封膜的厚度。理論上d(封膜厚度)越小,靜電吸附力越大,變剛度效果會更好。為了驗證這一推論,本文對不同厚度的封膜結構,做了兩組對比試驗,一組結構的封膜厚度為370 μm,另外一組為240 μm,試驗結果如圖12所示。由圖12a可知,隨著電壓的逐漸增加,封膜厚度為240 μm的結構的變剛度效果較370 μm的結構明顯;由圖12b可知,因封膜厚度會影響結構本身的剛度,所以封膜厚度為240 μm的結構與封膜厚度為370 μm的結構相比,前者的整體剛度小于后者。由此可得到結論:當施加相同電壓時,封膜厚度越小,靜電吸附力越大,變剛度效果越明顯;此外,封膜厚度越小,結構整體的剛度越小。所以,尋求一種自身剛度受厚度影響小的封膜材料對后期結構優化有重要意義。

(a)剛度變化率隨電壓變化

(b)剛度隨電壓變化

4.6 靜電吸附力試驗及結果

為了探究電壓U、靜電吸附力F、剛度變化率β3者之間的對應關系,試驗中將電壓由0增大至5.5 kV,測得對應電壓下的靜電吸附力,并對照剛度變化率,結果如圖13所示。由圖可見:靜電吸附力與電壓大致呈二次方關系,符合式(2)的描述,當電壓達到5.5 kV時,對應的靜電吸附力為100 mN;結構的剛度變化率與電壓基本為正相關關系,但并非二次方關系,在電壓較小或較大時,結構的剛度變化率隨電壓增大而變化很快,當電壓在2～4.5 kV之間時變化緩慢。

圖13 靜電吸附力試驗結果

5 結 論

本文針對現有變剛度技術中剛度控制結構復雜或剛度變化率低,且無法適應復雜結構的難題,提出了一種新型柔性靜電吸附變剛度結構。研究了影響結構變剛度效果的各種因素發現,采取雙層靜電吸附層、易被極化夾層材料以及較小封膜厚度等措施可以增加結構的剛度變化效果。這些試驗結果對于實際變剛度結構的設計具有指導意義。

該設計可以滿足較大的剛度變化范圍,且剛度變化由電壓調節,結構簡單,操作簡便,工作穩定性好,應用前景廣闊。