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。     

改性石墨烯/介电弹性体的制备及传感性能

目的制备具有优异介电性能,可用于传感器的热塑性聚氨酯弹性体复合材料。方法使用十八烷基胺修饰氧化石墨烯片层,通过热处理工艺部分还原改性后的氧化石墨烯,利用溶液混合法将改性石墨烯分散到热塑性聚氨酯的基体中,通过絮凝-热压的方法成形,并测试其结构、介电性能及传感性能。结果十八烷基胺通过共价键的形式接枝到氧化石墨烯表面,X射线衍射表明,十八烷基胺通过表面接枝改性,增大了石墨烯片层的层间距。结论改性石墨烯填充的介电弹性体具有较高的介电常数和较低的介电损耗,且表现出良好的弯曲形变-介电敏感响应。     

等双轴预拉伸下介电弹性体驱动器力电稳定性分析

针对等双轴预拉伸条件下的介电弹性体驱动器,开展了驱动器力电特性有限元仿真计算,建立了拉伸率与名义电场强度之间的关系,将仿真结果与已有的理论计算结果进行了对比,二者完全重合;同时根据等双轴预拉伸情况下系统的状态方程,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;有限元建模及分析方法可以为等双轴预拉伸驱动器的设计提供参考。     

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。     

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。      

聚丙烯/碳纳米管复合材料的结晶和介电行为

采用熔融共混制备了聚丙烯/碳纳米管复合材料(PP/MWCNTs)。利用场发射扫描电镜(FESEM)、差示扫描量热仪(DSC)、偏光显微镜(POM)、X射线衍射仪(XRD)及宽频介电仪(BDS)对复合体系的形态、非等温结晶行为、结晶结构以及介电行为进行了研究。结果表明,碳纳米管均匀分散于聚丙烯基体中,二者界面结合紧密;极少量碳纳米管的加入即对聚丙烯的结晶起显著的异相成核作用,促进聚丙烯α晶型的形成;此外,复合体系在导电逾渗阀值附近介电松弛行为显著加强。     

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。     

聚吡咯/多壁碳纳米管复合材料的制备与性能研究

以吡咯为单体、三氯化铁为氧化剂,采用反相微乳液聚合法,分别在十二烷基苯磺酸钠(SDBS)溶液中和含有多壁碳纳米管(MWCNTs)的十二烷基苯磺酸钠(SDBS)溶液中,通过化学氧化法制得了聚吡咯纳米颗粒和聚吡咯/多壁碳纳米管(PPy/MWCNTs)导电复合材料。利用SEM、TEM、FT-IR、XRD和四探针电导率仪对复合材料进行了表征。结果表明,当SDBS浓度为0.0120mol/L时所制备的聚吡咯纳米颗粒的电导率在1.00S/cm左右;在含有MWCNTs的SDBS溶液中,单体在SDBS的胶束内聚合,表面活性剂及其胶束吸附在MWCNTs的表面,表面活性剂的浓度和碳纳米管的用量对PPy/MWCNTs复合材料电导率的提高起到重要作用。当SDBS浓度为0.0120mol/L、MWCNTs和单体的质量比为0.20时,可获得电导率为5.68S/cm的PPy/MWCNTs纳米复合材料。     

多壁碳纳米管/聚偏氟乙烯高介电常数复合材料的制备与性能

为制备具有高介电常数的复合材料,采用注射成型法制备了原始多壁碳纳米管(P-MWCNTs)/聚偏氟乙烯(PVDF)复合材料和石墨化多壁碳纳米管(G-MWCNTs)/PVDF复合材料。然后,对P-MWCNTs和G-MWCNTs进行了Raman光谱表征,对MWCNTs/PVDF复合材料进行了断面形貌、力学性能和电学性能测试。结果表明:G-MWCNTs比P-MWCNTs具有更高的纯度和结晶度,两种不同的MWCNTs都能均匀分散在PVDF基体中,添加MWCNTs会显著影响PVDF的力学行为。MWCNTs/PVDF复合材料的介电性能随MWCNTs含量的增加而提高,与P-MWCNTs相比,G-MWCNTs有效降低了复合材料的渗流阈值。当频率为100 Hz时,纯PVDF的介电常数为7.0;当P-MWCNTs的含量为5wt%时,复合材料的介电常数为23.8;当G-MWCNTs的含量为5wt%时,复合材料的介电常数高达105.0。注射成型法制备的MWCNTs/PVDF复合材料仍保持相对较低的电导率,进而导致复合材料的能量损耗较低,对电荷存储应用具有重要意义。     

疏水可拉伸碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合薄膜的性能

基于化学气相沉积制备三维多孔多壁碳纳米管(MWNTs)海绵,在其内均匀填充聚二甲基硅氧烷(PDMS)制备出碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合薄膜。复合PDMS的碳纳米管海绵保持着自身的三维结构,成为导电网络和力学骨架;均匀填充的PDMS使复合薄膜具有较高的拉伸性能。碳纳米管与聚二甲基硅氧烷之间的协同作用,使MWNTs/PDMS复合薄膜具有良好的力学强度(3.7 MPa)、拉伸性(207%)和弹性。MWNTs/PDMS复合薄膜对应变有稳定可靠的响应,应变为10%、20%、50%、80%和100%时电阻变化率(△R/R₀)分别为0.9%、1.4%、2.3%、3.5%和4.6%,灵敏因子(GF)为别为0.09、0.07、0.046、0.044和0.046。MWNTs/PDMS复合薄膜的性能具有良好的稳定性,不受拉伸速度和循环次数影响。同时,MWNTs/PDMS复合薄膜还保持了碳纳米管和PDMS的疏水能力。     

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.     

Electro-viscoelastic performance of a tubular dielectric elastomer actuator

International Journal of Mechanics and Materials in Design - To reveal the electro-viscoelastic performance of a tubular dielectric elastomer actuator, a dissipative model for the actuator is...     

Tuning of structural color using a dielectric actuator and multifunctional compliant electrodes

We have developed electrically conducting silicone elastomer nanocomposites that serve both as compliant electrodes in an electrostatic actuator and, at the same time, as optically active elements creating structural color. We demonstrate the capabilities of our setup by actuating an elastomeric diffraction grating and colloidal-crystal-based photonic structures.     

A three-dimensional shape memory alloy/elastomer actuator

This paper presents a mathematical model for analysis of a thermally-driven shape memory alloy (SMA)/elastomer actuator under arbitrary loading and boundary conditions. The actuator is a three-dimensional laminated composite box beam that consists of SMA and elastomer layers with a uniform rectangular cross section. The thermomechanical behavior of SMA layers is modeled utilizing Tanaka and Nagaki's constitutive equation and linear phase transformation kinetics. The behavior of the elastomer layers is assumed to be thermoelastic, in which the elastic modulus is considered to be temperature dependent. The classical laminated beam theory is employed to obtain the force-deformation relationships. The analysis provides explicit solutions to the structural response of the actuator, including strain and curvature of actuator's midplane. A numerical example for a cantilever box beam with uniform square cross-section subjected to a transverse concentrated load is presented. Results demonstrate that significant changes occur in the actuator's responses during phase transformation due to the strain recovery.     

Fabrication and mechanical properties of glass fibre reinforced thermoplastic elastomer composite

The paper investigates the effects of fabrication conditions on mechanical properties of glass fibre reinforced thermoplastic elastomer composites. The impregnation time was varied between 5 and 30 min and the cooling conditions were rapid and gradual cooling. Tensile testing was carried out on samples with different fibre orientations. Double Cantilever Beam (DCB) tests were carried out to evaluate the fracture toughness of the composites. The degree of crystallinity and morphology of the composite were studied by using differential scanning calorimetry (DSC) and scanning electron microscopy (SEM). Impregnation of matrix resin into glass fibre was found to be complete before 30 min and tensile properties increased with increasing impregnation time. SEM micrographs of fractured surfaces revealed poor adhesion between the matrix and the reinforcing agent. Due to the flexible nature of the composite, the fracture toughness (G_IC) could not be determined because of the formation of ridges on the surface.     

新型纳米ZrO2/聚酰亚胺复合超薄膜的制备表征及其介电性能

以油酸为有机配体,采用两相方法合成了油溶性的超小尺寸纳米晶体纳米ZrO₂（nano ZrO₂）,并对nano ZrO₂表面包覆的油酸改性使纳米晶体与聚酰胺酸（PAA）接枝,通过旋膜法热亚胺化后形成nano ZrO₂/聚酰亚胺（PI）复合超薄膜。利用TEM、XRD、FTIR和SEM等对nano ZrO₂及nano ZrO₂/PI复合超薄膜进行表征,并对nano ZrO₂/PI复合超薄膜的介电性能进行了探究。结果显示,nano ZrO₂尺寸均一（5.0 nm左右）,为锐钛矿晶型,其晶体结构和尺寸不受改性接枝影响。nano ZrO₂在复合超薄膜中分散良好。电学研究表明,复合超薄膜的介电性能受nano ZrO₂与PAA质量比及制膜热亚胺化温度的影响。当PAA∶ZrO₂质量比为2∶3、热亚胺化温度为320℃时,介电常数达到最大,几乎是纯PI薄膜的2倍。两相法-改性接枝-热亚胺化制备PI复合超薄膜的方法简单高效,能够避免无机粒子在PI基体内的团聚并提高介电性能,对于PI基复合薄膜的制备、应用及推广具有重要意义。     

用于PDMS微芯片塑性成型的SU-8模具制作工艺的优化

PDMS是制作微流控芯片的主要材料.PDMS芯片制作的主要方法是模塑法,模塑法要求有良好的塑性成型模具.SU-8以其良好的微加工特性,目前已广泛应用于微机械结构的制作,也用于PDMS塑性成型的模具.本文根据模具的特殊性,如平整、无裂纹、可多次使用等要求,研究了影响SU-8模具结构与基底材料硅片的黏附性和形成裂纹的因素,优化了SU-8微模具加工工艺,在以0.5℃/min进行升降温、210 mJ/cm2的曝光剂量、200℃条件下硬烘30min条件下得到较好的SU-8模具,提供了一种快速、复用性高、低成本的PDMS微芯片塑性成型的SU-8模具的制作方法.     

Stability of dielectric elastomer/carbon nanotube composites coupling electrostriction and polarization

Experiments are conducted to test the permittivity of dielectric elastomer composites adulterated with multi-walled carbon nanotube (MWCNT). The results show that the permittivity of dielectric elastomer composites can be significantly improved by adding MWCNT conductive particles. A thermodynamic model is presented to investigate the stability of MWCNT particle-doped dielectric elastomer composites. The theoretical investigation proves that the polarization of MWCNT, the electrostriction deformation and material constants of the elastomer significantly affect the stability of the thermodynamic system. The numerical analysis shows that comparing to ideal dielectric elastomer, the stability of dielectric elastomer composites filled with MWCNT coupling between electrostriction and polarization can be significantly enhanced.