介電彈性材料驅(qū)動(dòng)器的力電耦合機(jī)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(yīng)用前景的新型功能材料，其特點(diǎn)是能夠在外界的電激勵(lì)下產(chǎn)生快速大變形的行為，因此可應(yīng)用于各種智能驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)中。鑒于目前對(duì)該材料的力電耦合性能缺乏深入的理論研究，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用中對(duì)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(duì)象，著重分析其力電耦合下的機(jī)理和穩(wěn)定性特性。
　　本文首先對(duì) DE材料驅(qū)動(dòng)器的變形機(jī)理進(jìn)行了

2、定性解釋?zhuān)缓笸ㄟ^(guò)熱力學(xué)理論構(gòu)建了材料在能量轉(zhuǎn)化中的本構(gòu)關(guān)系，通過(guò)Gent模型和極化模型，得到了DE材料驅(qū)動(dòng)器的非線性控制方程，通過(guò)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(yù)拉伸下的力電耦合變形行為。研究表明，預(yù)拉伸的DE材料的介電常數(shù)隨著面積的擴(kuò)張而下降，論文從極化角度對(duì)其機(jī)理進(jìn)行了解釋并定義這種現(xiàn)象為制約取向極化；通過(guò)對(duì)制約取向極化進(jìn)行理論分析，認(rèn)為其作用是在D

3、E材料變形中產(chǎn)生了電致伸縮應(yīng)力，該應(yīng)力與Maxwell應(yīng)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(duì)這種DE復(fù)合材料進(jìn)行理論建模分析表明：摻雜了陶瓷的DE復(fù)合材料的介電率和穩(wěn)定性都會(huì)有所提高，其中穩(wěn)定性提高的程度受到四個(gè)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(gè)參數(shù)的影響規(guī)律

4、，結(jié)果可用于指導(dǎo)這四個(gè)參數(shù)的合理選取。
　　接著，論文分析了 DE材料在電荷驅(qū)動(dòng)下的電致變形現(xiàn)象，并對(duì)其機(jī)電耦合過(guò)程進(jìn)行了理論建模。結(jié)果表明，僅僅通過(guò)施加電荷可以實(shí)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(guò)程中，DE材料的靜電力隨著變形增長(zhǎng)速度較緩慢，最終會(huì)被材料變形的彈性應(yīng)力相平衡，達(dá)到穩(wěn)定變形。
　　論文還研究了 DE材料自身粘彈性力學(xué)特性對(duì)其電致變形的影響。通過(guò)構(gòu)建的粘彈性本構(gòu)模型，研究了在粘彈性的作用下，DE

5、材料的力電耦合的時(shí)間依賴(lài)特性，結(jié)果表明，雖然預(yù)拉伸可以提高材料的穩(wěn)定性，但預(yù)拉伸后 DE材料由于粘彈性其應(yīng)力會(huì)發(fā)生松弛效應(yīng)，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，預(yù)拉伸提高的穩(wěn)定性效果會(huì)有所退化。如果施加的電壓時(shí)間顯著地滯后于力學(xué)預(yù)拉伸時(shí)間，DE材料的穩(wěn)定不會(huì)有明顯的提高。因此電壓和預(yù)拉伸應(yīng)同時(shí)施加以保證粘彈性松弛的效應(yīng)最弱。
　　最后，論文還分析了 DE材料驅(qū)動(dòng)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(guò)程，推導(dǎo)了力電耦合的等效剛度，得出