Dielektrické elastomery - Dielectric elastomers

Princip fungování dielektrických elastomerových akčních členů. Elastomerní film je na obou stranách potažen elektrodami. Elektrody jsou připojeny k obvodu. Přiložením napětí elektrostatický tlak činy. V důsledku mechanického stlačení se elastomerní film smršťuje ve směru tloušťky a rozpíná se ve směrech roviny filmu. Při zkratu se elastomerová fólie přesune zpět do své původní polohy.

Dielektrické elastomery (DE) jsou chytrý materiál systémy, které produkují velké kmeny. Patří do skupiny elektroaktivní polymery (EAP). Pohony DE (DEA) přeměňují elektrickou energii na mechanickou práci. Jsou lehké a mají vysokou hustotu elastické energie. Byly vyšetřovány od konce 90. let. Existuje mnoho prototypových aplikací. Každý rok se konají konference v USA[1] a Evropa.[2]

Pracovní principy

DEA je kompatibilní kondenzátor (viz obrázek), kde pasivní elastomer film je vložen mezi dva vyhovující elektrody. Když Napětí se použije, elektrostatický tlak vznikající z Coulombových sil působí mezi elektrodami. Elektrody stlačují elastomerový film. Ekvivalentní elektromechanický tlak je dvojnásobek elektrostatického tlaku a je dána:

kde je vakuová permitivita, je dielektrická konstanta z polymer a je tloušťka elastomerového filmu. Kmeny DEA jsou obvykle řádově 10–35%, maximální hodnoty dosahují 300% (akrylový elastomer VHB 4910, komerčně dostupný od 3M, který také podporuje vysokou elastickou hustotu energie a vysokou elektrické poruchy síla.)

Iontový

Výměna elektrod za měkkou hydrogely umožňuje iontový transport nahradit transport elektronů. Vodné iontové hydrogely mohou dodávat potenciály několika kilovoltů, a to navzdory nástupu elektrolýzy pod 1,5 V.[3][4]

Rozdíl mezi kapacitou dvojité vrstvy a dielektrikem vede k potenciálu přes dielektrikum, který může být milionkrát větší než potenciál přes dvojitou vrstvu. Potenciály v rozsahu kilovoltů lze realizovat bez elektrochemické degradace hydrogelu.[3][4]

Deformace jsou dobře kontrolovatelné, reverzibilní a schopné vysokofrekvenčního provozu. Výsledná zařízení mohou být dokonale transparentní. Je možné vysokofrekvenční ovládání. Spínací rychlosti jsou omezeny pouze mechanickou setrvačností. Tuhost hydrogelu může být tisíckrát menší než dielektrikum, což umožňuje ovládání bez mechanického omezení v rozsahu téměř 100% při milisekundových rychlostech. Mohou být biokompatibilní.[3][4]

Mezi zbývající problémy patří sušení hydrogelů, tvorba iontů, hystereze a elektrický zkrat.[3][4]

Rané experimenty ve výzkumu polovodičových zařízení se spoléhaly na iontové vodiče, které zkoumaly modulaci kontaktních potenciálů v křemíku v terénu a umožnily první polovodičové zesilovače. Práce od roku 2000 prokázala užitečnost elektrolytových hradlových elektrod. Iontové gely mohou také sloužit jako prvky vysoce výkonných, roztažitelných grafenových tranzistorů.[4]

Materiály

Filmy z uhlíkového prášku nebo mastnoty naplněné saze byly první volbou jako elektrody pro DEA. Takové materiály mají špatnou spolehlivost a nejsou k dispozici při zavedených výrobních technikách. Vylepšených vlastností lze dosáhnout pomocí tekutého kovu, plechů z grafen, povlaky uhlíkových nanotrubiček, povrchově implantované vrstvy kovových nanoklastrů a vlnité nebo vzorované kovové filmy.[4][5]

Tyto možnosti nabízejí omezené mechanické vlastnosti, odpor plechů, spínací časy a snadnou integraci. Silikony a akryl elastomery jsou další alternativy.

Požadavky na elastomerový materiál jsou:

Mechanické předepnutí elastomerového filmu nabízí možnost zvýšení elektrické průrazné pevnosti. Další důvody pro předepnutí zahrnují:

  • Snižuje se tloušťka filmu, což vyžaduje nižší napětí k dosažení stejného elektrostatického tlaku;
  • Vyvarujte se tlakových napětí ve směrech roviny filmu.

Elastomery vykazují visko-hyperelastické chování. Modely, které popisují velké kmeny a viskoelasticity jsou potřebné pro výpočet těchto akčních členů.

Materiály používané při výzkumu zahrnují grafitový prášek, směsi silikonového oleje / grafitu, zlaté elektrody. Elektroda by měla být vodivá a vyhovující. Poddajnost je důležitá, aby elastomer nebyl při prodloužení mechanicky omezen.[4]

Filmy z polyakrylamidových hydrogelů vytvořené se slanou vodou mohou být laminovány na dielektrické povrchy a nahrazovat elektrody.[4]

DE na bázi silikonu (PDMS ) a přírodní guma jsou slibnými oblastmi výzkumu.[6] Vlastnosti jako rychlá odpověď časy a účinnost jsou lepší při použití DE na bázi přírodního kaučuku ve srovnání s VHB (akrylový elastomer ) založené na DE pro kmeny pod 15%.[7]

Instability v dielektrických elastomerech

Dielektrické elastomerové akční členy mají být navrženy tak, aby se zabránilo fenoménu dielektrického rozpadu v celém průběhu jejich pohybu. Kromě dielektrického rozpadu jsou DEA náchylné k dalšímu poruchovému režimu, označovanému jako elektromechanická nestabilita, který vzniká v důsledku nelineární interakce mezi elektrostatickými a mechanickými obnovovacími silami. V několika případech elektromechanická nestabilita předchází zhroucení dielektrika. Parametry nestability (kritické napětí a odpovídající maximální roztažení) jsou závislé na několika faktorech, jako je úroveň průtažnosti, teplota a permitivita závislá na deformaci. Kromě toho také závisí na průběhu napětí použitého k pohonu pohonu. [8]

Konfigurace

Konfigurace zahrnují:

  • Zarámované / rovinné ovladače: Zarámovaný nebo rovinný ovladač je elastomerní film potažený / potištěný dvěma elektrodami. Typicky je kolem fólie namontován rám nebo nosná konstrukce. Příkladem jsou rozšiřující se kružnice a roviny (jednofázové a vícefázové.)
  • Válcové / válcové aktuátory: Potažené elastomerové fólie se válí kolem osy. Aktivací se v axiálním směru objeví síla a prodloužení. Pohony mohou být navíjeny kolem tlačné pružiny nebo bez jádra. Aplikace zahrnují umělé svaly (protéza ), mini- a mikroroboti a ventily.
  • Membránové akční členy: Membránový akční člen je vyroben jako rovinná konstrukce, která je poté předpjata v ose z, aby vyprodukovala pohyb v rovině.
  • Ovladače ve tvaru skořápky: Planární elastomerové fólie jsou na konkrétních místech potaženy ve formě segmentů elektrod. Díky dobře namířené aktivaci fólie zaujmou složité trojrozměrné tvary. Mohou být použity příklady pro pohon vozidel vzduchem nebo vodou, např. pro vzducholodě.
  • Stohovací akční členy: Stohovací akční členy mohou zvýšit deformaci. Pohony, které se při aktivaci zkrátí, jsou dobrými kandidáty.
  • Aktuátory režimu tloušťky: Síla a zdvih se pohybují ve směru z (mimo rovinu). Aktuátory režimu tloušťky jsou obvykle plochý film, který může skládat vrstvy pro zvýšení posunutí.
  • Ovladače ohybu: Ovladač na bázi dielektrického elastomeru (DE) v rovině se převede na mimoplošné ovládání, jako je ohýbání nebo ohýbání pomocí unimorfní konfigurace, kde je na jednu vrstvu neaktivních naskládána jedna nebo více vrstev DE desek. Podklad.[9]
  • Ovládací prvky balónku: Rovinný elastomer je připevněn ke vzduchové komoře a nafouknut konstantním objemem vzduchu, poté lze tuhost elastomeru měnit působením elektrického zatížení; což má za následek vybití elastomerického balónu řízené napětím. [10]

Aplikace

Dielektrické elastomery nabízejí mnoho potenciálních aplikací s potenciálem nahradit mnoho elektromagnetických pohonů, pneumatických a piezoelektrických pohonů. Seznam potenciálních aplikací zahrnuje:

  • Hmatová zpětná vazba
  • Čerpadla
  • Ventily
  • Robotika
  • Aktivní struktura inspirovaná origami[9]
  • Protéza
  • Výroba elektřiny
  • Aktivní kontrola vibrací konstrukcí
  • Optické pozicionéry, například pro automatické ostření, zoom, stabilizaci obrazu
  • Snímání síly a tlaku
  • Aktivní braillské řádky
  • Řečníci
  • Deformovatelné povrchy pro optiku a letectví
  • Sklizeň energie
  • Okna s potlačením hluku[4]
  • Hmatová rozhraní namontovaná na displeji[4]
  • Adaptivní optika[4]

Reference

  1. ^ „Detail konference pro akční členy a zařízení s elektroaktivním polymerem (EAPAD) XV“. Spie.org. 14. března 2013. Citováno 1. prosince 2013.(registrace nutná)
  2. ^ Evropská konference
  3. ^ A b C d Keplinger, C .; Sun, J. -Y .; Foo, C. C .; Rothemund, P .; Whitesides, G. M .; Suo, Z. (2013). "Roztažitelné, průhledné, iontové vodiče". Věda. 341 (6149): 984–7. Bibcode:2013Sci ... 341..984K. CiteSeerX  10.1.1.650.1361. doi:10.1126 / science.1240228. PMID  23990555.
  4. ^ A b C d E F G h i j k Rogers, J. A. (2013). "Jasný pokrok v měkkých akčních členech". Věda. 341 (6149): 968–969. Bibcode:2013Sci ... 341..968R. CiteSeerX  10.1.1.391.6604. doi:10.1126 / science.1243314. PMID  23990550.
  5. ^ Liu, Yang; Gao, Meng; Mei, Shengfu; Han, Yanting; Liu, Jing (2013). "Ultra-vyhovující elektrody z tekutého kovu se schopností samoléčení v rovině pro akční členy z dielektrického elastomeru". Aplikovaná fyzikální písmena. 103 (6): 064101. Bibcode:2013ApPhL.103f4101L. doi:10.1063/1.4817977.
  6. ^ Madsen, Frederikke B .; Daugaard, Anders E .; Hv Whileed, Søren; Skov, Anne L. (1. března 2016). „Současný stav převodníků dielektrického elastomeru na bázi silikonu“ (PDF). Makromolekulární rychlá komunikace. 37 (5): 378–413. doi:10.1002 / marc.201500576. ISSN  1521-3927. PMID  26773231.
  7. ^ Koh, S. J. A .; Keplinger, C .; Li, T .; Bauer, S .; Suo, Z. (1. února 2011). "Generátory dielektrických elastomerů: Kolik energie lze převést # x003F;". Transakce IEEE / ASME na mechatronice. 16 (1): 33–41. doi:10.1109 / TMECH.2010.2089635. ISSN  1083-4435.
  8. ^ https://asmedigitalcollection.asme.org/appliedmechanics/article/85/11/111009/444956/A-Modulated-Voltage-Waveform-for-Enhancing-the
  9. ^ A b Ahmed, S .; Ounaies, Z .; Frecker, M. (2014). "Zkoumání výkonu a vlastností akčních členů dielektrického elastomeru jako potenciálního prostředku k aktivaci struktur origami". Chytré materiály a struktury. 23 (9): 094003. Bibcode:2014SMaS ... 23i4003A. doi:10.1088/0964-1726/23/9/094003.
  10. ^ Sharma, Atul Kumar; Arora, Nitesh; Joglekar, M. M. (2018). „DC dynamická nestabilita vtažení balónu z dielektrického elastomeru: přístup založený na energii“. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 474 (2211): 20170900. Bibcode:2018RSPSA.47470900S. doi:10.1098 / rspa.2017.0900. PMC  5897764. PMID  29662346.

Další čtení

externí odkazy