硅橡胶基电流变弹性体的动态粘弹性及非线性本构模型

对电流变弹性体(electrorheological elastomers,EREs)的动态粘弹性及本构模型进行研究。以硅橡胶为基体,TiO2/尿素核壳颗粒为功能分散相,在1kV/mm取向电场条件下固化,制备颗粒体积含量为30%的各同异性ERE。在不同电场强度、剪切频率、应变幅值下测试ERE的应力-应变滞回曲线,并分析各工况下ERE的动态粘弹性,得到电场强度、应变幅值、剪切频率等因素对ERE动态粘弹性的影响规律。在实验基础上,建立了基于修正Bouc-Wen模型的ERE非线性本构模型,并识别出模型参数。结果表明,该本构模型模拟结果与试验数据吻合较好,说明该模型能够准确表征材料的动态粘弹性和非线性特征。     

氧化石墨烯核-壳杂化粒子/硅橡胶介电弹性体复合材料的制备与性能

采用阳离子聚电解质聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)改性SiO₂, 再通过静电自组装制备了SiO₂-PDDA-氧化石墨烯(GO)核-壳杂化粒子。采用溶液共混法将SiO₂-PDDA-GO引入到高温硫化硅橡胶(SR)中, 制备了SiO₂-PDDA-GO/SR介电弹性体复合材料。结果表明:该方法能实现GO在SiO₂表面大面积的包覆, 解决了GO容易自聚集的问题, 且PDDA具有还原GO的作用, 无需再对GO核-壳杂化粒子/SR复合材料进行原位热还原, 简化了实验方案, 节能环保。SiO₂-PDDA-GO填充量为60wt% 时, 在100 Hz频率下, SiO₂-PDDA-GO/SR介电弹性体复合材料的介电常数为21.53, 是SR的11.6倍, 介电损耗保持较低值, 同时, 复合材料的模量保持在较低水平。在电场强度为2.48 kV/mm时, 60wt%的SiO₂-PDDA-GO/SR介电弹性体复合材料横向电致形变在同一电场强度下与SR相比增加了15倍。      

管状介电弹性体驱动器电致应变特性分析

介电弹性体是电场型电活性聚合物的一种,在直流电场作用下,有良好的电致应变特性,去掉外加电场,可迅速恢复到原始尺寸,通过控制电压的大小,可以精确控制变形。本文基于NeoHookean应变能模型,采用ABAQUS有限元软件,开展了材质为丙烯酸聚合物管状介电弹性体驱动器在机电载荷作用下的力学性能有限元模拟,另外,考虑机械预拉伸的影响,开展了管状介电弹性体驱动器机电耦合特性的有限元仿真分析,为管状介电弹性体驱动器的力电特性、变形失效、稳定性的进一步研究提供了一定的理论依据。     

磁场增强各向异性结构电流变弹性体的制备

通过溶胶-凝胶法在水热法合成的Fe₃O₄表面包覆了一层TiO₂，得到Fe₃O₄@TiO₂核壳颗粒，采用XRD、SEM、TEM对颗粒结构和形貌进行了表征。随后，将该颗粒填充于硅橡胶基体中，利用颗粒的磁特性使其在磁场下固化，制备了颗粒体积分数为14vol%的弹性体。用旋转流变仪测试了弹性体在不同电场强度下的电致变模量特性，与填充TiO₂颗粒并在电场下固化的电流变弹性体进行对比，相对电流变效应相较于后者提升了71.9%。通过光学显微镜观察弹性体截面，发现磁场下固化的弹性体有更好的颗粒取向。由此，采用磁电双响应特性的颗粒作为分散相，在外加磁场下使基体固化，可获得具有更显著颗粒链结构的弹性体材料，克服了现有电流变弹性体在外电场下固化介电颗粒预排布结构不明显的问题，提高了所制备弹性体的电流变效应，同时消除了固化时外加高压电源的安全隐患，为高性能电流变弹性体的开发制备提供了新的思路。     

无机粒子填充硅橡胶基介电弹性体的研究进展

硅橡胶具有模量低、弹性好、响应快,且其模量在较大温度范围内保持恒定的优点,受到了介电弹性体研究者的广泛关注。然而,硅橡胶介电常数低,用于驱动器时驱动电压高、电致应变小,应用范围受到限制。采用高介电常数的无机粒子填充硅橡胶是提高其介电常数的有效手段之一。综述了常用的高介电无机粒子填充硅橡胶基介电弹性体的研究进展、电致应变性能的影响因素,以及复合介电弹性体的模量增大、介电损耗升高问题及其解决办法。     

丙三醇/羧甲基淀粉/改性氧化钛复合颗粒的电流变性能

结合改进的水解法和溶胶-凝胶法,制备了丙三醇/羧甲基淀粉/改性纳米氧化钛复合颗粒,分析表明羧甲基淀粉和纳米氧化钛之间存在有相互作用;同时,介电测试表明此颗粒配制的电流变液的介电极化特性有很大改善.经流变学测试,此复合颗粒电流变液的动态剪切应力在颗粒质量分数为25%,剪切速率为100s-1,3kV/mm DC下为960Pa,剪切增幅比为35.同时,此电流变液的静态屈服应力在更高浓度,5kV/mm DC下可达到18kPa,比同等条件下改性氧化钛和CMS电流变液的静态屈服应力均有所提高.此外,这种电流变液还表现出较好的抗沉降性能.     

单轴预拉伸下电致应变智能材料介电弹性体驱动器机电稳定性分析

介电弹性体驱动器机电稳定性特性是研究衡量介电弹性体性能的重要指标之一。为了解单轴预拉伸下介电弹性体驱动器机电稳定性特性,借助有限元数值模拟手段,从理论建模和仿真计算两方面入手,针对单轴预拉伸条件下介电弹性体驱动器,建立基于Neo-Hookean应变能函数的电致应变模型,根据稳定状态下系统自由能函数对应的海森矩阵正定的特性,建立了介电弹性体驱动器在单轴预拉伸条件下的机电稳定性条件,并采用有限元方法计算了单轴预拉伸条件下驱动器的机电响应。通过分析不同预拉伸水平下极限电致应变、电场强度、电位移等参数关系,获取该介电弹性体驱动器稳态工作区间,推导得到的稳定性条件和有限元建模及仿真分析方法可以为驱动器的设计提供参考。     

介电弹性体致动器及其应变响应研究

用介电弹性体制作的致动器,具有变形量大、能驱动较大的负载、可塑性很好的特点.给出了一种使用介电弹性体制作基本致动器的方法,对电极、预应变等对该方法制作的致动器的影响进行了实验研究.结果表明,电极的柔软度必须与材料的性质匹配.太硬的电极会使应变变小,而太柔的电极会使薄膜易于击穿.预应变虽减弱了单位电压下的变形量,但却能提高致动器的最大应变量.     

电流变弹性体夹层结构梁的动力学仿真研究

对电流变弹性体夹层悬臂梁在不同电场控制下的振动响应特性和可控性进行研究。将电流变弹性体等效为一种具有电控力学性能的粘弹性阻尼材料,基于Hamilton原理建立了三层电流变弹性体夹层梁的有限元动力学方程,仿真分析了其在不同外加电场控制下的振动特性。分析结果显示,随着外加电场强度的增加,电流变弹性体夹层梁的固有频率不断增大,振动幅值却不断减小。表明电流变弹性体夹层梁具有与电流变液夹层梁相似的可控振动响应特性,能在外加电场作用下实现对结构振动的实时控制。     

高电致形变介电弹性体的研究进展

为发展介电弹性体的高电致形变性能,不少科研工作者采取了许多改进方法,但是效果仍然不理想。详细阐述了目前为发展高电致形变介电弹性体存在的问题,并通过具体试验研究指出介电弹性体今后发展的方向。     

低相变场细电滞回线(Pb,La)(Zr,Sn,Ti)O_3反铁电陶瓷的研究

对远离反铁电-铁电准同型相界的(Pb,La)(Zr,Sn,Ti)O3反铁电组分进行Ba2+掺杂,制备出了细电滞回线、低相变电场的反铁电陶瓷,反铁电-铁电相变电场仅为1.5kV/mm,电场回滞减小到0.2kV/mm,并且极化强度和应变量随电场增大几乎呈线性变化,可通过调节电场大小得到不同的应变量,有利于开辟这类材料新的应用领域。     

介电弹性体力学松弛的试验与理论研究

针对介电弹性体的粘弹性应力松弛现象,通过单轴拉伸的应力松弛试验研究了材料应力在不同预拉伸率下的时变特征,建立了材料基于Prony级数的准线性粘弹性模型。研究结果表明:通过理论计算和实验结果的对比验证了模型的准确性,预拉伸率是影响介电弹性体薄膜应力松弛曲线的重要因素,基于二阶Prony级数的准线性粘弹性模型能够有效模拟介电弹性体薄膜预拉伸率在[2,6]区间内的非线性力学松弛特性,而且与实验值拟合度较高;在预拉伸率为4,400s条件下,介电弹性体薄膜的应力达到0.126MPa。     

可将机械能转变成电能的介电弹性体研究进展

弹性体材料具有轻质,易加工,价格低廉的优点,广泛用于生产生活各个领域.本文简要介绍了介电弹性体材料发电的基本原理,相比传统利用电磁感应原理的发电机的优势.重点介绍了几种目前研究比较广泛的介电弹性体材料:丙烯酸酯类、硅橡胶、聚氨酯和天然橡胶等,并分析了介电弹性体材料的介电常数、击穿电压和断裂伸长率等因素对发电量和发电效率的影响,及它们作为介电弹性体发电材料的优势和不足.此外,提出了作为介电弹性体发电机所需材料在未来应该重点开展的工作方向.     

三元纳米复合电流变液材料的协同效应

采用二步复合法制备了一种以高岭土/二甲基亚砜插层化合物为核、羧甲基淀粉为壳的三元纳米复合电流变液材料.XRD测试表明高岭土的层间距由0.715nm扩大到1.120nm.介电性能测试表明三元体系电流变液的介电常数和电导率比原材料电流变液有很大改善,增强了极化能力和介电失配,从而使电流变性能大幅提高.在颗粒/硅油体积比30%和DCE=5kV/mm下,这种材料的静态剪切应力可达17kPa,分别是相同条件下纯高岭土电流变液和高岭土/羧甲基淀粉电流变液的14倍和4.25倍.研究表明,该材料存在一最佳配比,当三元体系质量配比为10.750.6时,纳米协同效应最佳,表现出最强的电流变效应.     

不对称电极介电弹性体的电致动响应与有限元分析

以DowCorning 186硅橡胶为介电弹性体(DE)基底膜,以精细Ag纳米颗粒和导电石墨掺杂的硅橡胶为电极,组装了不对称DE电致动膜。两电极膜存在显著的力学性能、导电性能差异,其厚度、模量、面电阻分别为96.8μm、26.6MPa、8.42kΩ/cm~2和179.3μm、32.6MPa、3.87kΩ/cm~2。导入4kV、2Hz、25%占空比的激励信号,不对称DE膜发生上下振动,中心偏离平衡位置的最大振幅为3.6mm,偏离角为17.4°。利用激光位移传感器研究了偏振位移与驱动电压、频率之间的关系,结果表明,偏振位移随驱动电压的增加而增加,随激励频率的增加而减小。同时利用ANSYS模拟了不对称DE泵膜的应力输出、功率、流量,计算结果可为研制新型智能可控微泵提供实验数据和研究基础。     

类1-3型TiO_2颗粒填充聚氨酯复合材料的制备及粘弹性

采用化学沉淀法制备出TiO_2颗粒,SEM结果表明该颗粒为平均粒径660nm的圆润球体。以该种TiO_2颗粒为分散相制备聚氨酯基复合材料,SEM结果证实在不加场条件下制备出了颗粒弥散分布的0-3型复合材料,而在外加电场条件下制备出了颗粒取向排布的类1-3型复合材料。对所制备两种聚氨酯基复合材料进行动态粘弹性及蠕变测试。结果表明,类1-3型TiO_2颗粒填充聚氨酯复合材料比0-3型复合材料具有更高的储能模量,且类1-3型复合材料的抗蠕变性能较0-3型复合材料有显著提高。     

高压电场中金属丝段电爆产物的形成

应用金属丝段与电极非接触电爆设备,通过改变电场电压和电极间距进行系列电爆金属铜丝试验,对爆炸后产物进行分离称量,并利用显微镜观察各种产物的形貌特点,结果表明,丝段进入高压电场后,通过丝端部与电极之间的气体放电将大电流导入而发生电爆。等离子体旁路作用使湮没在等离子体内部一部分或整根金属丝段不发生电爆残留下来。电极间距较长时,释放在金属丝段上的能量密度减小,不能够使整个金属丝段气化爆炸。适合制备超细粉的电极间距范围随电场电压的增加而扩大,对应电场电压4kV、5kV和6kV时,适合制备超细粉的电极间距范围分别为23．3—25．2mm、22．7—27．3mm和22．7—58．6mm。     

硅橡胶基磁流变弹性体制备及动态剪切性能研究

磁流变弹性体是一种新型的智能复合材料,其动态力学性能受磁场控制,可以应用于变刚度或避免共振的智能器件。在原有制备磁流变弹性体的基础上尝试采用不同的组份配比制备了以双组份室温硫化硅橡胶为基体的高性能磁流变弹性体。在0～700mT磁感应强度范围内,使用动态信号测试分析仪来测试分析所制样品的磁致动态频响函数。结果表明,在700mT磁感应强度下及羰基铁粉质量分数为75%时,所制备的磁流变弹性体的共振频率相对变化率可达到30%,具有较好的频率可控特性,同时,其动态剪切模量最大相对变化率可以达到67%,达到了磁场控制剪切模量的目的。     

激光脉冲沉积制备钛酸锶钡薄膜及其介电调协特性

在Pt（111）／Ti／SiO2／Si（100）衬底上,用脉冲激光沉积工艺制备出了高度a轴取向生长的（Ba0.65Sr0．35）TiO3（BsT）薄膜。薄膜为柱状生长的纳米晶粒,平均晶粒尺寸为50nm。在外加电场254kV／cm时,BST薄膜的相对介电常数与介电调谐率为810和76．3％。高的介电调谐率主要是BST薄膜具有高度a轴取向的柱状生长晶粒,因为来自沿平面c轴极化而产生的内部应力,在电场作用下,获得了高介电调谐率。     

铌酸镁的合成与铌镁酸铅基电致伸缩陶瓷性能关系研究

研究了不同温度MgNb2O6的原始合成反应,结果显示游离MgO的含量随MgNb2O6合成温度的升高而减少．首先合成MgNb2O6,但合成时并不加入过量MgO,合成温度为1050℃,由此制备了一种PMN基电致伸缩陶瓷．在X射线衍射检测极限内,并未发现此PMN基电致伸缩陶瓷存在焦绿石第二相．对该陶瓷施加1kV／mm频率为0．07Hz的准静态电场,在室温下其纵向电致应变（S11）达1．05×10－3而滞后仅为6．8％．还研究了MgNb2O6的合成温度与PMN基陶瓷电致伸缩性能的关系,它表明PMN基陶瓷的居里温度Tc随MgNb2O6的合成温度的提高而增高,从而引起介电常数的下降和滞后增大．