力电耦合下介电高弹体结构与器件稳定性研究

摘要

介电高弹体是一种新型智能软材料，具有质量轻、能量密度高、效能高、成本低、运行安静等众多优点，因而广泛应用于智能驱动器、发电机、传感器、显示器的领域，而稳定性研究对于介电高弹体器件的长期稳定运行以及性能保持非常重要，本文主要对于介电高弹体的某些具体结构，如短管、充气隔膜和平面预拉伸薄膜等，研究其在突跳失稳、褶皱、材料粘弹性影响下的稳定性问题。
　　介电高弹体短管充气、充液结构在工程领域中有着广泛应用。本文主要通过理论和实验方法分析了预拉伸对于充气、充液介电高弹体短管以及由其组成蠕动泵系统的突跳失稳的影响。我们获得了介电高弹体充气、充液短管在不同预拉伸或压强下的力学响应。在实验中，我们还观察到了气球的突跳失稳以及非对称鼓包现象。结果表明短管充气结构在较小的预拉伸状态下较容易失稳，而大的预拉伸则可以抑制此类失稳。由介电高弹体短管构成的蠕动泵系统，采用两个相同的介电高弹体短管串联构成，其间采用单向阀连接，依次对驱动介电高弹体短管，可推动管内的流体运动。实验结果表明，方波信号可以显著提高蠕动泵系统的性能，如提高泵内流体的输出压强与流量。介电高弹体蠕动泵的最优驱动频率在1.5Hz附近，这与人的心脏运动频率相近。在实验中，所得到的最大平均流量，最大瞬时流量以及最大单次排出体积分别为2.5 L/min，3.2 L/min和0.09 L，接近儿童心脏的性能要求。实验中，蠕动泵运行频率从1变为1.5 Hz所需的时间大致为1 s，因而其具有较快的反应时间，在不同工况切换时具有良好的适用性，特别适用于人工心脏这类对快速工况切换有需求的应用。
　　圆形充气隔膜结构是介电高弹体应用中另一种常见的结构。当对充气隔膜施加了方波电压时，充气隔膜表面出现褶皱。我们研究了褶皱的临界电压、诱发位置、传播路径、褶皱形貌以及其失效条件与电击穿之间的相互关系等。研究表明随着施加气压的增大，褶皱的临界电压随之升高。而褶皱的诱发位置从隔膜的中部移位至隔膜的顶部。进一步的，随着电压的升高，我们观察到褶皱的形貌从条纹状变为迷宫状。在实验研究的基础上我们建立了一个简易的理论模型，可以用于预测褶皱的形貌随着电压增大的演化行为。我们还研究了预拉伸对于充气隔膜褶皱行为的影响，结果表明预拉伸对褶皱的诱发位置和形貌有重要影响。小预拉伸状态下的充气隔膜，褶皱诱发于固定边界位置，而较大预拉伸情况下，褶皱一般诱发于充气隔膜的中部位置。最后我们还讨论了突跳稳定性，褶皱以及电击穿三者之间的关系。我们通过三维相图对介电高弹体薄膜的褶皱行为进行预测。该研究对于相关器件的稳定性预防以及褶皱的应用具有一定的参考价值。
　　除此以外我们还对固定框架中的介电高弹体薄膜的褶皱行为进行了定量研究。对矩形框架中的介电高弹体薄膜施加高压电之后，薄膜表面产生条状褶皱。我们采用理论和实验的方法分析了褶皱的波长和幅值。结果表明理论和实验预测符合的很好。褶皱的波长可以由薄膜预拉伸与框架的几何尺寸调节，同时褶皱的幅值可由电压调节。最后我们采用了此类方法设计了一个透明度可调的智能窗户。进一步地我们采用圆形硬质框架，其上蒙一张经过预拉伸的圆形介电高弹体薄膜，薄膜中心处粘接一个圆形的硬质塑料片且其四周由硬质框架固定。当对其施加垂直于膜方向的位移载荷（整体器件呈现喇叭状），以及施加一定的电压时，器件产生辐射状褶皱。随着电压的增加，褶皱诱发的位置逐渐从薄膜的中心向固定框架的四周扩散。我们建立了一套理论框架分析褶皱的诱发过程并得到了一个与试样几何形状以及位移载荷相关的代数表达式用于褶皱的波长的预测。
　　最后我们以圆形充气介电高弹体隔膜为例，通过实验和理论方法研究了粘弹性对于介电高弹体褶皱行为的影响。结果表明充气隔膜褶皱的临界电压随着介电高弹体的材料的松弛而减小，最后趋于稳定。进一步的，褶皱诱发位置随着材料的松弛从充气隔膜的顶部逐渐移动到充气隔膜的底部。纬向褶皱的临界电压总是小于等于在经向上的临界电压。在高的力电耦合载荷的作用下，充气隔膜能更加快的达到平衡状态。同时高压强往往意味着，褶皱诱发位置会更加靠近褶皱的边界区域。
　　本文工作对后续的介电高弹体器件稳定性的预防及应用提供了理论支撑。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 智能软材料介绍

1．1．2 介电高弹体的材；i串特性及应用

1．2 介电高弹体理论研究

1．2．1 超弹材料的本构模型

1．2．2 介电高弹体场理论

1．2．3 介电高弹体的粘弹性行为及电击穿

1．3 介电高弹体结构稳定性

1．3．1 介电高弹体结构稳定性模式

1．3．2 介电高弹体稳定性的控制

1．3．3 介电高弹体稳定性的应用

1．4 本文的研究内容、方法和创新点

2 介电高弹体充气／液短管力电耦合下的稳定性

2．1 介电商弹体充气短管稳定性

2．1．1 前言

2．1．2 实验装置和实验过程

2．1．3 理论框架

2．1．4 研究结果与讨论

2．1．5 小结

2．2 力电耦合下介电高弹体蠕动泵短管单元的稳定性

2．2．1 前言

2．2．2 介电高弹体蟠动泵介绍

2．2．3 理论模型

2．2．4 实验装置及实验过程

2．2．5 结果和讨论

2．2．6 小结

2．3 力电耦合下介电高弹体蠕动泵系统的稳定性

2．3．1 引言

2．3．2 实验

2．3．3 实验结果

2．3．4 讨论

2．3．5 小结

3 介电高弹体充气隔膜褶皱研究

3．1 引言

3．2 实验研究

3．2．1 实验装置

3．2．2 预拉伸为2实验

3．2．3 预拉伸为1，3实验

3．3 理论模型

3．4 结果和讨论

3．4．1 初步理论验证

3．4．2 褶皱的临界电压

3．4．3 褶皱的诱发位置

3．4．4 褶皱形貌的相圈

3．4．5 讨论

3．5 小结

4 固定框架下介电商弹体薄膜褶皱研究

4．1 矩形框架固定的预拉伸介电高弹体薄膜褶皱

4．1．1 引言

4．1．2 实验研究

4．1．3 理论模型

4．1．4 结果与讨论

4．1．5 智能介电高弹体薄膜

4．1．6 小结

4．2 介电高弹体喇叭状薄膜褶皱研究

4．2．1 引言

4．2．2 实验

4．2．3 控制方程

4．2．4 理论分析

4．2．5 讨论

4．2．6 小结

5 粘弹性对于介电高弹体充气隔膜褶皱稳定性的影响

5．1 引言

5．2 理论

5．2．1 粘弹性充气隔膜理论模型

5．2．2 褶皱理论

5．3 结果与讨论

5．4 小结

6 总结和展望

参考文献

攻读博士期间主要研究成果

作者简介