预应变对介电弹性体的电力学性能影响研究

摘要

介电弹性体(Dielectric Elastomer，DE)为电活性聚合物(EAPs)，对其施加电压时，DE将产生形状和体积的变化，从而把电能转换为机械能，而当外加电场消失后，又能恢复到原始的形态。DE被应用于盲人触摸器、蛇形机械手以及脸部皮肤等领域，具有非常广泛的应用前景。然而目前为止，DE的电致形变都比较小，要获得大的电致形变，就必须对其施加预应变，而针对不同DE施加预应变后电力学性能的变化少有研究，而且预应变对介电弹性体的作用机理也鲜有报道，因此，本课题针对预应变对不同DE基体的电力学性能的影响进行了研究。
　　对不同的DE基体进行单轴预应变或者等双轴预应变:施加预应变后，由于取向行为的产生，DE材料的介电常数减小，而介电损耗以及介电击穿强度增大;由于厚度方向尺寸的减小，DE材料的驱动电压降低。同等预应变下，与单轴预应变相比，等双轴预应变下发生取向的分子链数目要多于单轴预应变，因此等双轴预应变的DE分子链总体的取向程度较大，故等双轴预应变下的介电常数较小，而介电损耗较大;对初始厚度相同的DE材料进行同等程度的预应变后，与单轴预应变相比，等双轴预应变的DE薄膜厚度方向的尺寸变得更小，故施加相同的电压，等双轴预应变的DE薄膜所受到的电场强度较大，其电致形变也较大。
　　对不同丙烯腈含量，即不同极性的氢化丁腈(HNBR)进行单轴预应变:对于同一HNBR基体，当施加相同的单轴预应变时，随着预应变率的增加，HNBR的厚度减小，所以施加相同的电压时，材料所受到的电场强度增加，故预应变能够降低材料的驱动电压，同时提高其介电击穿强度;HNBR极性越大，分子链的极化能力越强，分子之间的相互作用力越强，偶极子在外电场的作用下旋转所需要克服的阻力越大，故其介电常数以及介电损耗越大。
　　利用红外二向色性原理、原子力显微镜探索了预应变后DE材料微观结构的变化:随着预应变程度的增加，DE分子链的取向程度在不断增加;极性越低，分子链取向程度越高，这是由于HNBR极性越低，分子链之间的相互作用力越弱，分子链更容易在外力的作用下进行取向的原因。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 电活性聚合物(EAPs)

1．2．1 离子型电活性聚合物

1．2．2 电子型电活性聚合物

1．3 介电弹性体及介电弹性体驱动器

1．3．1 介电弹性体工作原理

1．3．2 介电弹性体

1．3．3 电力学性能

1．3．4 介电弹性体驱动器

1．4 提高介电弹性体电力学性能的方法

1．5 高聚物拉伸取向的研究方法

1．6 预应变对介电弹性体的性能影响

1．7 本课题目的、意义及创新点

1．7．1 本课题的目的及意义

1．7．2 本课题的创新点

第二章 实验部分

2．1 实验原材料及橡胶配方

2．1．1 实验原材料

2．1．2 橡胶配方

2．2 实验设备及测试仪器

2．3 实验工艺

2．3．1 硅橡胶介电弹性体材料制备

2．3．2 热塑性聚氨酯介电弹性体材料制备

2．3．3 氢化丁腈橡胶介电弹性体材料制备

2．4 柔顺性电极的制备

2．5 介电弹性体材料的拉伸

2．6 性能测试及表征

2．6．1 硫化性能测试

2．6．5 原子力显微镜(AFM)

2．6．6 介电原子力显微镜(DFM)

2．6．7 电致形变测试

第三章 预应变对传统介电弹性体的电力学性能影响研究

3．1．1 VHB4910的化学组成

3．1．2 VHB4910的力学性能

3．1．3 预应变VHB4910的介电常数

3．1．4 预应变VHB4910的介电损耗

3．1．5 预应变VHB4910的电致形变及击穿强度

3．1．6 原子力显微镜(AFM)表征

3．1．7 介电原子力显微镜(DFM)

3．2 预应变对硅橡胶DC3481的电力学性能影响研究

3．2．1 DC3481的力学性能

3．2．2 预应变DC3481的介电常数

3．2．3 预应变DC3481的介电损耗

3．2．4 预应变DC3481的电致形变及击穿强度

3．2．5 红外二向色性表征

3．2．6 原子力显微镜表征(AFM)

3．3 预应变对热塑性聚氨酯(TPU)的电力学性能影响研究

3．3．1 TPU的力学性能

3．3．2 预应变TPU的介电常数

3．3．3 预应变TPU的介电损耗

3．3．4 预应变TPU的电致形变及击穿强度

3．3．5 原子力显微镜表征(AFM)

3．4 小结

第四章 预应变对不同极性介电弹性体的电力学性能影响研究

4．1 引言

4．2 HNBR的硫化时间测试

4．3 HNBR的力学性能

4．4 预应变HNBR的介电常数

4．5 预应变HNBR的介电损耗

4．6 预应变HNBR的电致形变及击穿强度

4．7 红外二向色性表征

4．8 小结

第五章 结论

参考文献

致谢

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