介電彈性材料驅動器的力電耦合機理及穩(wěn)定性研究.pdf

1、介電彈性體（Dielectric Elastomer，DE）是一種具有廣泛應用前景的新型功能材料，其特點是能夠在外界的電激勵下產(chǎn)生快速大變形的行為，因此可應用于各種智能驅動器結構中。鑒于目前對該材料的力電耦合性能缺乏深入的理論研究，導致實際應用中對于材料的失效規(guī)律難以掌握及控制，限制了其在工程中的推廣和使用。因此，本文以DE材料為主要研究對象，著重分析其力電耦合下的機理和穩(wěn)定性特性。
　　本文首先對 DE材料驅動器的變形機理進行了

2、定性解釋，然后通過熱力學理論構建了材料在能量轉化中的本構關系，通過Gent模型和極化模型，得到了DE材料驅動器的非線性控制方程，通過具體的理論模型，分析和討論了 DE材料在力電耦合中的吸合和突跳失穩(wěn)行為。
　　然后，論文研究了 DE材料在預拉伸下的力電耦合變形行為。研究表明，預拉伸的DE材料的介電常數(shù)隨著面積的擴張而下降，論文從極化角度對其機理進行了解釋并定義這種現(xiàn)象為制約取向極化；通過對制約取向極化進行理論分析，認為其作用是在D

3、E材料變形中產(chǎn)生了電致伸縮應力，該應力與Maxwell應力共同作用在DE材料上，可以改善其力電耦合的穩(wěn)定性。
　　隨后，論文研究了DE材料在摻雜了陶瓷材料后的力電耦合性能，對這種DE復合材料進行理論建模分析表明：摻雜了陶瓷的DE復合材料的介電率和穩(wěn)定性都會有所提高，其中穩(wěn)定性提高的程度受到四個參數(shù)的制約：陶瓷的飽和極化電位移、摻雜的體積比例、陶瓷/聚合物的介電率之比、陶瓷/聚合物的彈性模量之比。因此，論文研究了這四個參數(shù)的影響規(guī)律

4、，結果可用于指導這四個參數(shù)的合理選取。
　　接著，論文分析了 DE材料在電荷驅動下的電致變形現(xiàn)象，并對其機電耦合過程進行了理論建模。結果表明，僅僅通過施加電荷可以實現(xiàn)穩(wěn)定的可逆大變形，這是由于施加電荷而產(chǎn)生的變形過程中，DE材料的靜電力隨著變形增長速度較緩慢，最終會被材料變形的彈性應力相平衡，達到穩(wěn)定變形。
　　論文還研究了 DE材料自身粘彈性力學特性對其電致變形的影響。通過構建的粘彈性本構模型，研究了在粘彈性的作用下，DE

5、材料的力電耦合的時間依賴特性，結果表明，雖然預拉伸可以提高材料的穩(wěn)定性，但預拉伸后 DE材料由于粘彈性其應力會發(fā)生松弛效應，隨著時間的增長，預拉伸提高的穩(wěn)定性效果會有所退化。如果施加的電壓時間顯著地滯后于力學預拉伸時間，DE材料的穩(wěn)定不會有明顯的提高。因此電壓和預拉伸應同時施加以保證粘彈性松弛的效應最弱。
　　最后，論文還分析了 DE材料驅動器在單軸、等雙軸、純剪切三種變形模式下，材料的電致變形過程，推導了力電耦合的等效剛度，得出