基于介電彈性體智能軟材料的能量收集理論研究與器件設計.pdf

1、長期以來，關于材料的科學研究大多集中于硬材料領域。但是隨著社會的發(fā)展，傳統(tǒng)的硬質材料已經不能滿足社會生產和日常生活的很多需求。自然界中動、植物等生物體的主要結構大多屬于軟材料。與傳統(tǒng)的金屬、陶瓷等硬材料相比，軟材料有其巨大的優(yōu)越性。介電彈性體屬于一種典型的軟材料，它具有大變形、輕質量、高響應速率、高彈性能密度、價格低廉、易加工制造和良好的生物親和性等優(yōu)點。介電彈性體最初由美國斯坦福研究院從90年代開始研究，它能夠在機械力和電場作用下產生

2、大變形，實現機械能與電能之間的相互轉換。利用這一性質，介電彈性體被廣泛應用于制造驅動器、傳感器與能量收集器等器件，其在機械、醫(yī)療、軍工、航天等領域均具有巨大的應用前景。
　　本文利用介電彈性體可以將機械能轉換為電能這一性質，研究了其能量收集理論并進行了能量收集器的設計與組裝。首先從軟材料的力學角度著手，闡述基于熱力學框架與連續(xù)介質力學模型的介電彈性體理論，從理論與試驗兩方面分析了Gent模型與Neo-Hookean模型兩種不同的超

3、彈性材料模型對于其本構關系的影響。其次，根據介電彈性體的五種失效模式推導了其失效時的控制方程，利用控制方程在力—位移與電壓—電荷平面描繪了許用區(qū)域，隨后在力—位移平面下計算了理論最大可轉換能量；在電壓—電荷平面下計算了最大可實現轉換能量。再次，對于能量收集過程中的能量耗散效應展開了分析，考慮了粘彈性與泄露電流兩種情況，其中粘彈性行為可以損耗掉輸入的機械能，而泄露電流則可以損耗掉輸出的電能，二者是能量收集過程中能量耗散的主要因素。最后設計