基于介电弹性体智能软材料的能量收集理论研究与器件设计

摘要

长期以来，关于材料的科学研究大多集中于硬材料领域。但是随着社会的发展，传统的硬质材料已经不能满足社会生产和日常生活的很多需求。自然界中动、植物等生物体的主要结构大多属于软材料。与传统的金属、陶瓷等硬材料相比，软材料有其巨大的优越性。介电弹性体属于一种典型的软材料，它具有大变形、轻质量、高响应速率、高弹性能密度、价格低廉、易加工制造和良好的生物亲和性等优点。介电弹性体最初由美国斯坦福研究院从90年代开始研究，它能够在机械力和电场作用下产生大变形，实现机械能与电能之间的相互转换。利用这一性质，介电弹性体被广泛应用于制造驱动器、传感器与能量收集器等器件，其在机械、医疗、军工、航天等领域均具有巨大的应用前景。
　　本文利用介电弹性体可以将机械能转换为电能这一性质，研究了其能量收集理论并进行了能量收集器的设计与组装。首先从软材料的力学角度着手，阐述基于热力学框架与连续介质力学模型的介电弹性体理论，从理论与试验两方面分析了Gent模型与Neo-Hookean模型两种不同的超弹性材料模型对于其本构关系的影响。其次，根据介电弹性体的五种失效模式推导了其失效时的控制方程，利用控制方程在力—位移与电压—电荷平面描绘了许用区域，随后在力—位移平面下计算了理论最大可转换能量；在电压—电荷平面下计算了最大可实现转换能量。再次，对于能量收集过程中的能量耗散效应展开了分析，考虑了粘弹性与泄露电流两种情况，其中粘弹性行为可以损耗掉输入的机械能，而泄露电流则可以损耗掉输出的电能，二者是能量收集过程中能量耗散的主要因素。最后设计并组装了一款能量收集器，它可以利用海浪的起伏对介电弹性体产生压缩，将机械能转化为电能。通过设计的能量收集电路，利用转换的电能使发光二极管发亮，从而直观的观察到了所转换的电能；并计算了每一循环所输出的能量。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 介电弹性体

1.3 介电弹性体在能量收集领域的研究进展

1.4 本文的主要研究内容及创新点

第2章 力电耦合本构关系与超弹性模型

2.1 引言

2.2 理想不可压缩介电弹性体

2.3 Gent模型与Neo-Hookean模型

2.4 介电弹性体材料单轴拉伸测试

2.4 本章小结

第3章 许用区域与最大可转换能量

3.1 引言

3.2 许用区域

3.3 最大可转换能量

3.4 本章小结

第4章 能量耗散分析

4.1 引言

4.2 介电弹性体材料的粘弹性行为

4.3 介电弹性体的泄漏电流分析

4.4 本章小结

第5章 能量收集器的设计与制作

5.1 引言

5.2 材料制备与元件制作

5.3 能量收集器的设计与组装

5.4 能量收集器的运行及其性能测试

5.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢