彈性聚合物薄膜的力電大變形及失效模式分析.pdf

1、上世紀九十年代末期，一類特殊的軟機敏材料即電活性聚合物引起了學(xué)術(shù)界及工業(yè)界的廣泛關(guān)注，該類高分子聚合物在電場作用下具有大應(yīng)變、響應(yīng)快、能效高等諸多優(yōu)異的力學(xué)性能，可被加工成作動器、傳感器及能量采集器，其核心部分是一層在上下表面附著有柔順電極的聚合物薄膜，受電場作用時，薄膜將減小厚度而擴大面積，從而實現(xiàn)電能和機械能的相互轉(zhuǎn)換。由于電活性聚合物薄膜在電場作用下的變形屬非線性大變形，同時薄膜在力電荷載共同作用下存在多種失效模式，因此對其力電響

2、應(yīng)進行描述充滿了挑戰(zhàn)性。本文的研究內(nèi)容如下：
　　 1.基于非線性彈性大變形理論建立了圓環(huán)形薄膜在外力作用下的力學(xué)模型，研究了一圓環(huán)狀彈性薄膜的軸對稱面外大變形。在未發(fā)生變形的參考構(gòu)形下，平直的圓環(huán)狀的薄膜的內(nèi)邊界連接一個圓盤，將薄膜的外邊界固定在剛性的圓環(huán)上。當(dāng)圓盤上作用一個豎直向下的外力時，薄膜經(jīng)歷面外大變形后形成軸對稱的形狀。結(jié)合狀態(tài)平衡和熱力學(xué)，推導(dǎo)得到了描述薄膜經(jīng)歷面外大變形的控制方程。采用了打靶法對控制方程進行求解，

3、得到了薄膜在經(jīng)歷面外大變形時，薄膜內(nèi)應(yīng)力場和應(yīng)變場的分布規(guī)律，可以看出薄膜的變形是非常不均勻的，這意味著薄膜在工作時材料的利用率較低，造成了材料的浪費。同時，本章的研究成果從基本理論和計算方法為本文后續(xù)的研究工作做了必要的鋪墊。
　　 2.以電活性聚合物作動器的基本結(jié)構(gòu)建立的力學(xué)模型為基礎(chǔ)探討了電活性聚合物薄膜在力電荷載共同作用下的面外非線性軸對稱大變形。利用非線性彈性大變形理論并結(jié)合熱力學(xué)的基本理論，推導(dǎo)得到了圓環(huán)形薄膜在受力

4、電載荷作用時產(chǎn)生面外大變形的控制方程，采用打靶法對控制方程進行了數(shù)值求解，得到了電活性聚合物薄膜受到力電荷載共同作用時，薄膜內(nèi)的應(yīng)力場、應(yīng)變場和電場的分布規(guī)律，結(jié)果表明，圓環(huán)形薄膜的變形是非常不均勻的，在靠近圓環(huán)中心處的薄膜變形較大，而靠近圓環(huán)邊緣處的薄膜變形較小，導(dǎo)致薄膜中的電場從外向內(nèi)逐漸變大，從而使得靠近圓環(huán)中心處的薄膜處于電擊穿的邊緣，可能導(dǎo)致的結(jié)果是大部分薄膜還可正常工作的時候，處在場強高的某點處的薄膜已經(jīng)失效。變形場的非均勻

5、性導(dǎo)致薄膜內(nèi)的大部分材料并沒有被有效地利用，造成了材料的浪費。
　　 3.以電活性聚合物作動器簡化后的模型為基礎(chǔ)，利用熱力學(xué)基本原理推導(dǎo)得到了系統(tǒng)的控制方程，探討了作動器在工作中可能存在的失效模式，并給出了各種失效模式的判斷準則。本章利用這些準則在給定的條件下，得到了施加在作動器上外力F和電壓Φ的有效工作區(qū)間。另外，計算結(jié)果在作動器工作前對薄膜進行預(yù)拉伸，這樣可以明顯的減小變形后薄膜內(nèi)電場的不均勻分布的程度，如果作動器的設(shè)計參數(shù)