介电型电活性聚合物(EAP)驱动器失效行为分析

　　近年来，电活性聚合物(EAP)材料以其具有大变形(380%)、高能量质量比(3.4J/g)、高效率(60%～90%)和响应速度快等优点^[1-2]引起了国内外学者的广泛关注。介电型EAP属于电活性聚合物的一种，目前针对介电型EAP的研究主要集中在移动机器人、医疗器械、光学仪器等^[3-6]方面。

　　EAP薄膜材料是一种软材料，具有零弯曲刚度，只可以承受拉应力，无法承受压力和弯矩。一旦薄膜受到面内压力，很容易失稳，进而发生起皱现象。薄膜发生起皱以后，薄膜内部应力重新分布，同时产生了较大的面外变形，影响薄膜的力学性能，从而影响驱动器正常工作。另外，当驱动电场超过一定的临界值时，介电型EAP薄膜会被击穿，从而失去工作能力。起皱行为通常发生在介电击穿之前，因此对介电型EAP驱动器起皱行为的研究十分必要。针对EAP驱动器失效行为的研究，国内外学者已经做了一定的工作。哈佛大学的Suo等^[7-9]利用线性的弹性应变能方程对机电稳定性进行分析，建立了名义电场和名义电位移之间的关系，从理论上验证了预拉伸有助于提高EAP稳定性这一结论，对影响EAP材料击穿的因素进行了分析。麻省理工学院的Plante^[10]针对菱形、环形驱动器的失效行为进行了理论分析与试验研究，分析了驱动器工作速度对其失效行为的影响。哈尔滨工业大学的刘彦菊[11-12]等利用Monney-Riv-lin、Ogden形式的弹性应变能方程来分析EAP材料的稳定性，讨论了薄膜材料参数对其稳定性的影响。

　　线性模型在描述诸如EAP薄膜等超弹性、大变形材料的力学行为时往往不够精确。圆环形驱动器用于研究比较方便，但无法输出力和功。相比之下，锥形驱动器的输出性能更佳。本文采用Yeoh形式的应变能方程，对锥形驱动器的失效行为进行了深入研究，对驱动器的安全工作范围进行了理论预测。

　　1　驱动器的失效模式及其判据

　　介电型EAP驱动器一般有3种失效方式^[10]：机械强度、介电击穿强度与起皱现象。诸如材料缺陷、应力集中等局部影响导致的失效不在本文讨论范围以内。

　　驱动器的机械强度失效主要由EAP薄膜的材料强度决定，当薄膜内部的分子链状结构被拉伸到其允许范围以外，薄膜发生撕裂。机械强度可以通过试验确定，常用的VHB　4910薄膜一般在拉伸到其薄膜初始面积的36倍时发生机械强度破坏^[13-14]。

　　在电极上施加电压的过程中，产生的电场会使得EAP薄膜变薄，从而产生更强的电场使得薄膜更薄。这样的正反馈过程使得EAP在厚度方向上急剧变薄，当超过一定的临界电场Eb时，驱动器会被击穿，失去工作能力。介电击穿强度主要由材料本身的物理、化学特性决定，可以通过试验确定。