電活性介電彈性體的本構(gòu)理論和穩(wěn)定性.pdf

1、一直以來,研究人員多致力于在工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的硬材料研究。然而,自然界中動、植物等生物體的主要結(jié)構(gòu)大多屬于軟材料。與傳統(tǒng)的金屬、陶瓷等硬材料相比,電活性介電彈性體屬于典型的軟材料。美國斯坦福研究院從90年代開始研究,它在外加電場下,可以產(chǎn)生大變形,具有高彈性能密度、超短反應(yīng)時(shí)間和輕質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于驅(qū)動器、仿生手臂、面部表情、機(jī)器昆蟲、浮空飛艇舵、能量收集器和盲文顯示器等各個方面,在人工肌肉、智能仿生、航空航天、機(jī)械等領(lǐng)域具有巨大

2、的應(yīng)用潛力。
　　本文研究電活性介電彈性體軟材料的力學(xué)和穩(wěn)定性行為。構(gòu)建介電彈性體熱力學(xué)理論框架,建立不同類型的介電彈性體在力—電物理場(或力—電—熱物理場)耦合作用下的自由能方程,推導(dǎo)本構(gòu)方程,并基于此分析介電彈性體的機(jī)電穩(wěn)定性(熱機(jī)電穩(wěn)定性)和突跳穩(wěn)定性?？紤]介電彈性體拉力消失、拉伸破裂、電荷消失、電擊穿和機(jī)電不穩(wěn)定等典型失效情況的力學(xué)模型,描繪介電彈性體的許用區(qū)域,計(jì)算能量收集器的能量密度。制造堆棧形能量收集器并進(jìn)行初步性能

3、測試。計(jì)算介電彈性體和電熱材料施加電壓后產(chǎn)生溫度變化和熵變化,預(yù)測高極性流體電介質(zhì)可能具有大電熱效應(yīng)。描繪電熱材料作為制冷器經(jīng)歷的類卡諾熱力學(xué)循環(huán),研究制冷器的制冷能力。
　　首先,研究理想及經(jīng)歷大變形情況下的介電彈性體的本構(gòu)關(guān)系和機(jī)電穩(wěn)定性。建立介電彈性體熱力學(xué)理論框架,推導(dǎo)理想介電彈性體的本構(gòu)關(guān)系。應(yīng)用Mooney-Rivlin彈性能進(jìn)行理想介電彈性體的機(jī)電穩(wěn)定性分析,引入材料常數(shù)比獲得評價(jià)不同介電彈性體材料或結(jié)構(gòu)機(jī)電穩(wěn)定性的

4、臨界名義電場,得到材料常數(shù)比越大的材料或結(jié)構(gòu)的機(jī)電穩(wěn)定性越穩(wěn)定。并把這種方法推廣到應(yīng)用多個材料常數(shù)彈性能的理想介電彈性體機(jī)電穩(wěn)定性分析中。描繪Mooney-Rivlin型理想介電彈性體在等雙軸和非等雙軸情況下的許用區(qū)域,計(jì)算理想介電彈性體能量收集器在一個工作循環(huán)內(nèi)產(chǎn)生的能量。制造堆棧形介電彈性體能量收集器及波浪振動發(fā)電模擬裝置,進(jìn)行能量收集裝置性能的初步測試。
　　基于介電彈性體的介電常數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),提出介電常數(shù)隨著拉伸率非線性變化

5、的表達(dá)式。從數(shù)值分析和解析表達(dá)兩個角度討論介電彈性體的機(jī)電穩(wěn)定性,得到名義應(yīng)力、真實(shí)應(yīng)力、臨界名義電場、臨界真實(shí)電場和臨界拉伸率等介電彈性體機(jī)電穩(wěn)定性的性能參數(shù)解析表達(dá)式。獲得這些解析參數(shù)在等雙軸拉伸情況下的簡化形式。數(shù)值結(jié)果、解析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合的很好。
　　然后,進(jìn)行介電彈性體復(fù)合材料的本構(gòu)理論和機(jī)電穩(wěn)定性研究。根據(jù)介電常數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和復(fù)合材料理論中關(guān)于構(gòu)建彈性模量上下限表達(dá)式方法的啟發(fā),分別提出兩種依賴顆粒含量和電致伸縮變

6、形的介電彈性體復(fù)合材料的介電常數(shù)表達(dá)式,在此基礎(chǔ)上建立系統(tǒng)電場能量密度函數(shù),耦合多個材料常數(shù)的Knowles彈性應(yīng)變能函數(shù)構(gòu)建熱力學(xué)系統(tǒng)的自由能函數(shù),推導(dǎo)本構(gòu)方程,分析介電彈性體復(fù)合材料熱力學(xué)系統(tǒng)的機(jī)電穩(wěn)定性,探討顆粒含量和電致伸縮變形對機(jī)電穩(wěn)定性的影響。進(jìn)行硅橡膠介電彈性體復(fù)合材料的電致伸縮變形實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算得到的結(jié)論。結(jié)論對指導(dǎo)介電彈性體復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和制備有較大幫助。
　　另外,分析熱介電彈性體和電熱材料的熱力學(xué)性能。提

7、出介電常數(shù)依賴于溫度和拉伸率的表達(dá)式?；谧杂赡芘c內(nèi)能和熵的關(guān)系,推導(dǎo)熱貢獻(xiàn)的表達(dá)式。應(yīng)用熱貢獻(xiàn)描述溫度對介電彈性體熱機(jī)電耦合系統(tǒng)影響。建立介電彈性體熱力學(xué)系統(tǒng)的自由能方程,推導(dǎo)本構(gòu)方程。研究介電彈性體經(jīng)歷變化的溫度和電場情況下的熱力學(xué)性能,分析介電彈性體在等雙軸和非等雙軸情況下的熱機(jī)電穩(wěn)定性,描繪等雙軸和非等雙軸情況下介電彈性體正常工作的許用區(qū)域。計(jì)算電場變化時(shí)引起的介電彈性體和電熱材料溫度變化和熵變化(或外界做功)。描述電熱材料作為

8、制冷器經(jīng)歷的類卡諾熱力學(xué)循環(huán),計(jì)算電熱材料制冷器的制冷能力參數(shù)。數(shù)值結(jié)果可以指導(dǎo)介電彈性體和電熱材料變溫應(yīng)用器件的設(shè)計(jì)和制造。
　　最后,探討經(jīng)歷極化飽和的介電彈性體的本構(gòu)關(guān)系和穩(wěn)定性。當(dāng)介電彈性體施加電壓時(shí),柔性電極表面將產(chǎn)生電荷。隨著電壓的增加電荷增加;當(dāng)電壓增加到一定值時(shí),電荷將不在增加,達(dá)到飽和狀態(tài),這一過程稱為介電彈性體的極化飽和。本章提出了耦合非線性介電行為和超彈性行為的經(jīng)歷極化飽和的介電彈性體熱力學(xué)模型,獲得分別考慮