电致伸缩材料特性测试方法及其驱动器件研究

摘要

纳米钛酸钡/聚氨酯复合体电致伸缩材料作为一种智能功能材料,具有声阻抗低,机械柔韧性好,加工性能良好以及加工成本低等优点,由其制成的微位移驱动器适用于微米、纳米级分辨率的精密机械、医疗器械、人造器官以及微型水泵等领域。电致伸缩材料特性测试及其微致动器研究涉及材料、测量、控制、信号处理、机械等多种学科,是跨学科研究的热点。本文致力于电致伸缩材料特性测试方法的研究及其微致动器的设计,并得剑了江苏省自然科学基金项目资助(项目编号:BK2003063)。 首先,本文研究了纳米钛酸钡掺杂改性方法和聚氨酯弹性体的合成方法,分析了聚氨酯弹性体的结构与其性能之间关系,对制备的多个不同纳米钛酸钡含量聚氨酯弹性体复合材料进行了结构分析与性能表征,进行了制备材料的硬度、动态压缩、热性能、动态粘弹性、介电性能测量试验。试验结果表明掺入纳米钛酸钡对聚氨酯弹性体复合材料的各种性能有较大提高。分析了电致伸缩材料高压电容负载等效模型和电致伸缩材料对高乐源的特殊要求；提出带反馈、手动/自动控制测试高压源解决方案,针对高压输出非线性提出了查表和自动非线性纠正的方法,测试表明所研制的高压源具有良好的特性。 其次,本文研究了各种微位移、微应变测试方法的原理、范围、精度和适用场合,提出并实现了光学杠杆法测量聚氨酯电致伸缩材料微位移/微麻变方法,采用多椭圆环质心法识别并手动纠正光源位置不垂直引入的误差,提出先剔除畸变后采用高斯曲面拟合方法提高光斑中心求解精度的方法。结果表明：提出的光斑中心求解方法能较好地消除平台和倾角及其他因素导致的误差,同时还可以推算出光斑峰值。研究了电容线性位移传感结构利原理,并选择电容法作为聚氨酯电致伸缩特性测试的方法：在此基础上研制了电容法电致伸缩特性测试装置,设计和实现了平板电容微位移、微力测量结构和电磁力加载机构。 再次,本文采用研制的光学杠杆法和电容法电致伸缩特性装置对不同掺杂比例纳米钛酸钡/聚氨酯弹性体的电致伸缩特性进行了测试,分析了电致伸缩特性的影响因素,针对各种电致伸缩现象提出了电致伸缩材料电荷迁移逾渗复合模型(CTPM)。测试结果表明低含量的掺杂纳米钛酸钡可以提高复合物的电致伸缩应变,但是含量进一步的提高却降低了复合材料的电致伸缩应变,掺杂6％钛酸钡聚氨酯弹性体表现出最佳电致伸缩应变：随着力负载的增加电致伸缩应变减小；钛酸钡/聚氨酯弹性体表现出一定的驱动力,极板电荷相互吸引力不是导致电致伸缩应变的唯一原因：本体聚氨酯的电致应变响应速度较快,同复程度较好,能基本回复到原点；纳米钛酸钡/聚氨酯随掺杂含量提高,恢复速度减慢。研究和分析表明电致伸缩效应和Maxwell应力是产生电致伸缩应变的根本原因,而电荷迁移逾渗模型能很好的解释电致伸缩材料特有的弯曲、临界电场反转膨胀、高掺杂快速响应和同弹现象。 最后,本文研究了微致动器的致动原理和致动结构,设计了一种基于聚氨酯弹性体电致伸缩材料的蠕动致动腿结构,并对其进行了理论分析；提出单片电致伸缩材料最佳厚度的计算方法,并以此为基础提出了一种基于电致伸缩微致动器的微位移平台。并对其动作特性进行了仿真。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2国内外研究动态

1.2.1聚氨酯弹性体的研究

1.2.2电致伸缩特性测试方法的研究

1.2.3微致动器研究

1.3电致伸缩材料微致动器的特点和应用

1.3.1电致伸缩材料微致动器特点

1.3.2微致动器的应用

1.4本论文的研究内容

1.4.1研究背景及存在的问题

1.4.2本文拟解决的问题和主要内容

第二章电致伸缩材料-纳米钛酸钡/聚氨酯复合体基本性能

2.1聚氨酯弹性体

2.1.1聚氨酯弹性体的合成方法

2.1.2聚氨酯弹性体的结构特点

2.1.3聚氨酯弹性体性能与结构的关系

2.2纳米钛酸钡(BaTiO3)

2.3聚氨酯改性方法及纳米钛酸钡/聚氨酯弹性体的合成

2.3.1聚氨酯弹性体改性方法

2.3.2纳米钛酸钡/聚氮酯弹性体复合材料的合成方法

2.4纳米钛酸钡/聚氨酯弹性体复合材料基本特性

2.4.1纳米钛酸钡/聚氨酯弹性体复合材料的结构分析

2.4.2纳米钛酸钡/聚氨酯弹性体复合材料的硬度

2.4.3纳米钛酸钡/聚氨酯弹性体复合材料的动态压缩试验

2.4.4纳米钛酸钡/聚氨酯弹性体复合材料的热性能

2.4.5纳米钛酸钡/聚氨酯弹性体复合材料的动态粘弹性能

2.4.6纳米钛酸钡/聚氨酯弹性体复合材料的介电性能

2.5本章小结

第三章电致伸缩材料性能测试高压驱动电源的研究

3.1测试高压驱动电源技术指标

3.2驱动电源技术分析

3.2.1工频交流220V倍压整流高压发生电路

3.2.2无反馈高压驱动电源设计

3.3带反馈的手动/自动测试高压源设计

3.3.1带反馈、手动/自动结合单片机控制的高压源电路设计

3.3.2软件非线性纠正方案

3.3.3高压源测试结果

3.4本章小结

第四章电致伸缩材料微形变测试系统的研究

4.1光学法线位移测试原理概述

4.2光学杠杆法电致伸缩测量装置研制

4.2.1光学杠杆法测量微形变系统组成

4.2.2光学杠杆法测量误差分析

4.2.3被测光斑中心像面坐标的提取

4.3本章小结

第五章电容法电致伸缩特性测试方法研究

5.1电容法线位移测试原理概述

5.2电容法电致伸缩特性测试装置研制

5.2.1电容法电致伸缩特性测试装置组成

5.2.2平板电容传感器的结构设计和影响因素研究

5.2.3力加载机构设计及影响因素分析

5.2.4微电容检测原理

5.3电容法位移测量误差分析

5.3.1电容测试方法非线性误差δ1

5.3.2由传感器的加工精度、制造误差引起的测量误差δ2

5.3.3安装倾角(α，β)引起的洲量误差δ3

5.3.4输入电源幅值不稳定产生的测量误差δ4

5.3.5电容极极表面机械加工精度导致测量误差δ5

5.3.6其他冈素导致的测量误差δ6

5.4电容法电致伸缩特性测试装置测试结果

5.4.1开关型微弱电容检测电路电容测试结果

5.4.2电容法测微位移

5.4.3电容法测电磁力

5.5本章小结

第六章聚氨酯材料电致伸缩特性研究

6.1纳米钛酸钡/聚氨酯弹性体电致伸缩特性测试

6.1.1光学杠杆法电致伸缩时变特性测试

6.1.2电容法电致伸缩应变测量

6.1.3电容法电致伸缩材料的驱动力特性研究试验

6.1.4电容法电致伸缩应变与时间关系

6.2电致伸缩材料电荷相互吸引导致应变计算

6.3聚氨酯电致伸缩影响因素讨论及电荷迁移逾渗复合模型

6.3.1聚氨酯电致伸缩的影响因素

6.3.2钛酸钡/聚氨酯复合物电荷迁移逾渗模型

6.4本章小结

第七章聚氨酯弹性体微致动器设计

7.1微致动器概述

7.1.1微致动器机构分析

7.1.2微致动器的发展方向

7.2基丁聚氩酯电致伸缩材料微致动器应用设计

7.2.1聚氨酯致动原理

7.2.2聚氨酯致动特点

7.2.3聚氨酯弹性体电致伸缩材料微致动器结构设计

7.2.4聚氨酯弹性体电致伸缩材料微致动平台的设计

7.3本章小结

第八章结论与展望

博士期间完成文章

参考文献

致 谢