介电弹性体致动器及其应变响应研究

　　1　引言

　　现在出现了许多敏捷材料,比如形状记忆合金、磁致伸缩材料、压电材料等。电敏感聚合物是其中的一种,它在电场的作用下会改变体积或形状[1]。电敏感聚合物可以分为两种:离子的(通常称为“湿的”)和电的(通常称为“干的”)[2]。前一类包括聚合高分子电解质、离子聚合物、导电聚合物等。其运动来自于物质成分的转移,在此过程中离子和溶剂分子的分布发生了变化。第二类是通过电场以和压电陶瓷相似的方式驱动,如介电弹性体和电致伸缩材料[2]。本工作探讨一种基于介电弹性体的静电驱动柔性致动器。使用介电弹性体制作的致动器具有大的力输出、变形输出、较高的效率等,综合性能良好,有广泛的应用前景。

　　2　致动原理

　　在介电弹性体两个相对表面覆盖上柔性电极,当电极上施加电压时,弹性体将发生厚度和面积的变化:厚度减小而面积扩大,如图1所示。其原理如下:当电极上施加电压时,上下两个电极上的异性电荷相互吸引而每个电极上的同性电荷相互排斥,当这个力足够大时就能观察到介电膜明显的运动[3]。当然,覆盖在两个面上的电极必须是柔性的。介电弹性体调节器(DEA, dielectric elastomer actuator)就是基于这种现象制作的。

　　介电弹性体的变形主要是由电极在电场中产生的静电力(麦克斯韦力)产生的。电极施加到弹性体的有效压力P为所施加电压的函数:

　　这里,ε0和εr分别是真空介电常数和介电弹性体的相对介电常数,E是所施加的电场强度,V是所施加的电压,t为薄膜厚度。

　　介电弹性体在厚度方向产生的应变为:

　　其中Y为介电弹性体的弹性模量。Y会随着应变的增大而增大,而且在应变较大时其变化是非线性的;εr也会随着应变变化。令sz=-ΛE2,即Λ=ε0εr/Y,它反映了材料特性对应变的综合影响,这里称为应变系数。

　　由于介电弹性体是不可压缩的[3],应变时其体积不变,即(1+sx)(1+sy)(1+sz)=1,所以可以通过测出sx、sy来计算出sz。面积应变sarea为

　　可以得到(1+sarea)(1+sz)=1,能够看出,sarea可以定量定性地反应sz,而且由于sarea直观易测,所以这里把sarea作为实验的研究对象。

　　3　实验

　　3. 1　试验材料

　　VHB 4910丙烯酸膜,石墨粉, Sylgard184硅胶,Fluid 200 FL 50 CST硅油,正庚烷。

　　3. 2　致动器制作

　　VHB4910是一种透明的丙烯酸膜,具有很好的绝缘性能和弹性,其相对介电常数大约为4,绝缘电阻大于1015Ω·m-2,这里用作介电弹性体。电极必须有弹性和能导电,这里以下面两种材料为主要成分进行制作: (1) Sylgard184硅胶,凝固后具有一定的弹性; (2)石墨粉,具有导电性。为了得到弹性合适的电极,一般还需要用Fluid 200 FL 50 CST硅油来稀释Sylgard184胶。把Sylgard184硅胶和硅油以1: 1的比例混合,倒入5倍体积的正庚烷[4],搅拌使硅胶、硅油充分混合,再加入适当比例的石墨粉并充分搅拌,就可得到制作电极的悬浊液。加入正庚烷是使得液体易于喷涂或涂刷。