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(jì)九十年代末期，一類(lèi)特殊的軟機(jī)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(lèi)高分子聚合物在電場(chǎng)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(dòng)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(chǎng)作用時(shí)，薄膜將減小厚度而擴(kuò)大面積，從而實(shí)現(xiàn)電能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換。由于電活性聚合物薄膜在電場(chǎng)作用下的變形屬非線性大變形，同時(shí)薄膜在力電荷載共同作用下存在多種失效模式，因此對(duì)其力電響

2、應(yīng)進(jìn)行描述充滿(mǎn)了挑戰(zhàn)性。本文的研究?jī)?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(duì)稱(chēng)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(gè)圓盤(pán)，將薄膜的外邊界固定在剛性的圓環(huán)上。當(dāng)圓盤(pán)上作用一個(gè)豎直向下的外力時(shí)，薄膜經(jīng)歷面外大變形后形成軸對(duì)稱(chēng)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(duì)控制方程進(jìn)行求解，

3、得到了薄膜在經(jīng)歷面外大變形時(shí)，薄膜內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)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(shí)材料的利用率較低，造成了材料的浪費(fèi)。同時(shí)，本章的研究成果從基本理論和計(jì)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(dòng)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(duì)稱(chēng)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(shí)產(chǎn)生面外大變形的控制方程，采用打靶法對(duì)控制方程進(jìn)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(shí)，薄膜內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和電場(chǎng)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(chǎng)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(shí)候，處在場(chǎng)強(qiáng)高的某點(diǎn)處的薄膜已經(jīng)失效。變形場(chǎng)的非均勻

5、性導(dǎo)致薄膜內(nèi)的大部分材料并沒(méi)有被有效地利用，造成了材料的浪費(fèi)。
　　 3.以電活性聚合物作動(dòng)器簡(jiǎn)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(dòng)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(zhǔn)則。本章利用這些準(zhǔn)則在給定的條件下，得到了施加在作動(dòng)器上外力F和電壓Φ的有效工作區(qū)間。另外，計(jì)算結(jié)果在作動(dòng)器工作前對(duì)薄膜進(jìn)行預(yù)拉伸，這樣可以明顯的減小變形后薄膜內(nèi)電場(chǎng)的不均勻分布的程度，如果作動(dòng)器的設(shè)計(jì)參數(shù)