电活性聚合物薄膜换能器的力学响应分析及优化设计

摘要

电活性聚合物(Electro-Active Polymers)是一种高分子聚合物智能材料，有广阔的发展和应用前景。电活化聚合物是一种柔韧性极佳的橡胶，质地轻，受化学制品激励或通电时能大幅度弯曲或拉伸，不易破碎，可用来模拟人体肌肉的活动，并且电活化聚合物能够实现电能与机械能的相互转化，这种新型的换能器材料与其它智能材料相比具有高韧性，大变形，响应快，效率高，成本低，及重量轻等特点，有望取代传统的智能材料在电子产品、机械产品、机器人及能量采集等领域发挥重要作用。其中，介电弹性体(Dielectric Elastomers)是电活化聚合物中目前开发应用最多的一种，在美国，介电弹性体作动器已经进入生产阶段。电活性聚合物作动器的核心部分，是一层在其上下表面附着有柔顺电极的聚合物薄膜，受电压作用，薄膜将减少厚度而扩大面积，实现电能与机械能的相互转换。目前，有关电活性聚合物在发电领域的研究还很少。本文的研究内容包括
　　 (1)研究了一电活性聚合物薄膜——弹簧系统，即一圆环状的薄膜，其内边界与一刚性小圆盘粘接在一起，小圆盘再与一个轻质弹簧的一端相连，弹簧的另一端则被固定，而薄膜的外边界固定在一个刚性圆环上。文中建立了电活性聚合物薄膜——弹簧系统在外加电场作用下的力电响应的数学模型，运用可变形电介质的非线性场理论，结合热力学分析方法，得到了描述薄膜面外大变形的控制方程，运用打靶法对控制方程进行了求解。计算结果表明，弹簧的初始长度、刚度系数与外加电压之间存在一定的关系和规律，并且可以通过控制这三个参数来控制薄膜——弹簧系统的变形。本文的研究对提高薄膜——弹簧系统的工作效率及优化设计提供了理论上的支撑，并且对开发电活性聚合物薄膜——弹簧阀门提供了一定的新思路。
　　 (2)就电活性聚合物薄膜能量采集器的工作模式进行了有益的探讨。与电活性聚合物薄膜作动器的工作机理相反，电活性聚合物薄膜能量采集器可将机械能转化为电能，实现发电的功能。由于以电活性聚合物加工成的能量采集器具有结构紧凑、重量较轻等特点，是理想的便携能量采集器。作为发电材料，电活性聚合物与其他发电材料比较，具有高比能、大应变、较好的柔顺性、耐冲击及耐腐蚀等特性，适于利用风能及波浪运动等采集能量。本文运用可变形电介质的非线性场理论，结合热力学分析方法，建立了一个较合理的模型来对电活性聚合物薄膜能量采集器进行研究。由于电活性聚合物易受各类因素的影响，本文把这些不利因素统称为失效模式。围绕其失效模式，本文给出了电活性聚合物薄膜能量采集器的有效工作范围，从而使电活性聚合物能量采集器的性能达到最佳。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2研究现状

1.3本文的研究方法

1.3.1可变形电介质的非线性场理论

1.3.2数学模型

1.4本文的研究内容及创新性

1.4.1本文主要研究内容

1.4.2本文的创新之处

第2章 电活性聚合物薄膜的力-电转换的基本原理及其应用

2.1电能向机械能转化的基本原理及其应用

2.2机械能向电能转化的基本原理及其应用

2.3电活性聚合物薄膜工作时存在的失效模式

2.4结语

第3章电活性聚合物薄膜--弹簧系统的大变形分析

3.1引言

3.2基本方程

3.3材料模型

3.4数值计算及结果讨论

3.5结论

第4章电活性聚合物薄膜能量采集器的优化设计

4.1引言

4.2电活性聚合物薄膜能量采集器的基本模型及基本方程

4.3材料模型及数值计算

4.3.1 Mooney—Rivlin模型

4.3.2 Ogden模型

4.4能量转换循环及算例讨论

4.5结论

结论及展望

参考文献

致谢

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