介電薄膜換能器的非平衡力電行為分析.pdf

1、介電聚合物屬軟物質(zhì)，當(dāng)上下表面附著有柔順電極的介電聚合物薄膜受外加電場作用時，該薄膜將減小厚度，同時擴大面積，產(chǎn)生大變形，將電能轉(zhuǎn)化為機械能。加之此類材料具有輕質(zhì)、高效、低成本、能量密度高、無噪音、易加工等優(yōu)異的材料和力學(xué)性能，近年來，此類材料受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，可被設(shè)計成致動器、傳感器及能量采集器等換能器，并已在或有望在人工肌肉、機器人、光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、電子產(chǎn)品、能量采集等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用，具有潛在的巨大的市場價值。目前

2、，學(xué)者們對介電聚合物薄膜換能器的作動機理、失效模式及其力電彈性行為已做了大量卓有成效的理論及實驗研究，而對其粘彈性力電行為的刻畫不多，本文則圍繞介電聚合物薄膜換能器的粘彈性力電行為展開研究，所開展的創(chuàng)新性的研究工作如下：
　　(1)建立了中心粘接有輕質(zhì)圓盤的圓形介電薄膜致動器，受內(nèi)壓及電壓作用、產(chǎn)生面外大變形的粘彈性力學(xué)模型，并對其力電粘彈性行為進行了研究。通過非平衡熱力學(xué)理論，推導(dǎo)得到了該致動器的狀態(tài)方程及控制方程；采用彈簧-黏

3、壺流變模型，得到了該致動器的運動學(xué)方程。數(shù)值得到了所考慮變量和變形薄膜輪廓的演變過程并進行了圖示說明。計算中，考慮了內(nèi)壓、電壓及設(shè)計參數(shù)等對介電薄膜粘彈性行為的影響效應(yīng)，結(jié)果表明：內(nèi)壓、電壓及設(shè)計參數(shù)對該致動器的力電粘彈性行為都有著顯著影響。
　　(2)建立了上下兩端連接有輕質(zhì)剛性圓盤，受內(nèi)壓和電壓作用，產(chǎn)生軸對稱大變形的管狀介電薄膜致動器的粘彈性力學(xué)模型。經(jīng)推導(dǎo)得到了描述其大變形的控制方程及描述其粘彈性的運動學(xué)方程，并聯(lián)合使用打

4、靶法及改進的歐拉法對方程進行了數(shù)值求解，得到了各物理量的變化規(guī)律。計算中，重點考慮了內(nèi)壓、電壓及管狀介電薄膜的縱橫比對該致動器力電粘彈性行為的影響效應(yīng)，結(jié)果表明，它們極大地影響著其力電粘彈性行為。
　　(3)建立了受軸向拉力和電壓作用，上下兩端連接有輕質(zhì)剛性圓盤的管狀介電薄膜致動器的粘彈性力學(xué)模型。通過準靜態(tài)平衡法，推導(dǎo)得到了描述該致動器大變形的控制方程，而運動學(xué)方程仍由流變模型所給出。經(jīng)數(shù)值求解，得到了各物理量的分布規(guī)律。計算中

5、，重點研究了力電載荷、薄膜的環(huán)向預(yù)拉伸、薄膜的縱橫比對該致動器粘彈性力電行為的影響。結(jié)果表明，它們的影響顯著。
　　(4)建立了管狀薄膜-彈簧致動器的力學(xué)模型。通過準靜態(tài)平衡法，推導(dǎo)出描述該致動器大變形的控制方程，運動學(xué)方程仍由流變模型所給出。通過數(shù)值計算，分別研究了該模型在恒定力電載荷和周期力電載荷作用下的粘彈性行為。從計算結(jié)果得出，彈簧的剛度、加載率對薄膜的時間依賴行為影響顯著。
　　本文的研究將有助于更好地掌握此類介電