電活性聚合物薄膜換能器的力學響應分析及優(yōu)化設計.pdf

1、電活性聚合物(Electro-Active Polymers)是一種高分子聚合物智能材料，有廣闊的發(fā)展和應用前景。電活化聚合物是一種柔韌性極佳的橡膠，質地輕，受化學制品激勵或通電時能大幅度彎曲或拉伸，不易破碎，可用來模擬人體肌肉的活動，并且電活化聚合物能夠實現(xiàn)電能與機械能的相互轉化，這種新型的換能器材料與其它智能材料相比具有高韌性，大變形，響應快，效率高，成本低，及重量輕等特點，有望取代傳統(tǒng)的智能材料在電子產品、機械產品、機器人及能量采

2、集等領域發(fā)揮重要作用。其中，介電彈性體(Dielectric Elastomers)是電活化聚合物中目前開發(fā)應用最多的一種，在美國，介電彈性體作動器已經進入生產階段。電活性聚合物作動器的核心部分，是一層在其上下表面附著有柔順電極的聚合物薄膜，受電壓作用，薄膜將減少厚度而擴大面積，實現(xiàn)電能與機械能的相互轉換。目前，有關電活性聚合物在發(fā)電領域的研究還很少。本文的研究內容包括
　　 (1)研究了一電活性聚合物薄膜——彈簧系統(tǒng)，即一圓環(huán)

3、狀的薄膜，其內邊界與一剛性小圓盤粘接在一起，小圓盤再與一個輕質彈簧的一端相連，彈簧的另一端則被固定，而薄膜的外邊界固定在一個剛性圓環(huán)上。文中建立了電活性聚合物薄膜——彈簧系統(tǒng)在外加電場作用下的力電響應的數(shù)學模型，運用可變形電介質的非線性場理論，結合熱力學分析方法，得到了描述薄膜面外大變形的控制方程，運用打靶法對控制方程進行了求解。計算結果表明，彈簧的初始長度、剛度系數(shù)與外加電壓之間存在一定的關系和規(guī)律，并且可以通過控制這三個參數(shù)來控制薄

4、膜——彈簧系統(tǒng)的變形。本文的研究對提高薄膜——彈簧系統(tǒng)的工作效率及優(yōu)化設計提供了理論上的支撐，并且對開發(fā)電活性聚合物薄膜——彈簧閥門提供了一定的新思路。
　　 (2)就電活性聚合物薄膜能量采集器的工作模式進行了有益的探討。與電活性聚合物薄膜作動器的工作機理相反，電活性聚合物薄膜能量采集器可將機械能轉化為電能，實現(xiàn)發(fā)電的功能。由于以電活性聚合物加工成的能量采集器具有結構緊湊、重量較輕等特點，是理想的便攜能量采集器。作為發(fā)電材料，電