電活性聚合物薄膜換能器的力學(xué)響應(yīng)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì).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(yīng)用前景。電活化聚合物是一種柔韌性極佳的橡膠，質(zhì)地輕，受化學(xué)制品激勵(lì)或通電時(shí)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(dòng)，并且電活化聚合物能夠?qū)崿F(xiàn)電能與機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)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(yīng)快，效率高，成本低，及重量輕等特點(diǎn)，有望取代傳統(tǒng)的智能材料在電子產(chǎn)品、機(jī)械產(chǎn)品、機(jī)器人及能量采

2、集等領(lǐng)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(yīng)用最多的一種，在美國(guó)，介電彈性體作動(dòng)器已經(jīng)進(jìn)入生產(chǎn)階段。電活性聚合物作動(dòng)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(kuò)大面積，實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換。目前，有關(guān)電活性聚合物在發(fā)電領(lǐng)域的研究還很少。本文的研究?jī)?nèi)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(nèi)邊界與一剛性小圓盤粘接在一起，小圓盤再與一個(gè)輕質(zhì)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(gè)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(chǎng)作用下的力電響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用可變形電介質(zhì)的非線性場(chǎng)理論，結(jié)合熱力學(xué)分析方法，得到了描述薄膜面外大變形的控制方程，運(yùn)用打靶法對(duì)控制方程進(jìn)行了求解。計(jì)算結(jié)果表明，彈簧的初始長(zhǎng)度、剛度系數(shù)與外加電壓之間存在一定的關(guān)系和規(guī)律，并且可以通過控制這三個(gè)參數(shù)來控制薄

4、膜——彈簧系統(tǒng)的變形。本文的研究對(duì)提高薄膜——彈簧系統(tǒng)的工作效率及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論上的支撐，并且對(duì)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(jìn)行了有益的探討。與電活性聚合物薄膜作動(dòng)器的工作機(jī)理相反，電活性聚合物薄膜能量采集器可將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)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(jié)構(gòu)緊湊、重量較輕等特點(diǎn)，是理想的便攜能量采集器。作為發(fā)電材料，電