基于介电弹性体面积应变特性的实验研究
哈尔滨工业大学科技成果——介电弹性体驱动器及其柔性仿生机器人
哈尔滨工业大学科技成果——介电弹性体驱动器及
其柔性仿生机器人
主要研究内容基于介电弹性体变形大、响应快、质量轻、抗冲击、仿生性好易于加工成型等特点，制作出可产生扩张、收缩、弯曲等大变形的折叠形、卷形、半球形、堆栈形、弹簧-卷形弯曲驱动器，并在柔性仿生抓取装置、柔性仿生爬行机器人等方面进行了初步应用，有望在智能仿生、航空、航天侦察、探测、救援及医疗等领域部分取代传统机械式装置。
介电弹性体驱动器产生弯曲大变形
主要应用
智能仿生、航空航天、军事侦察、科学探测、灾难救援等领域。
主要技术指标
介电弹性体可以产生100%的面积应变；弹簧-卷形弯曲驱动器变形在0°到90°可调；介电弹性体及驱动器响应时间：≤0.5s。
介电弹性体驱动单元的动态特性分析
介电弹性体驱动单元的动态特性分析赵政弘;帅长庚;张世轲【摘要】In order to analyze the dynamic behavior of the actuating unit of dielectric elastomer (DE) under different electric voltage,a second-order ordinary differential motion equation was derived based on thermodynamics and Ogden strain energy function considering the influence of material nonlinearity,dielectric variation and inertial effects.Besides,the dynamic response of the actuating unit was obtained,and the influence of geometry was investigated as well.The results indicate that the dynamic response amplitude of DE actuating unit is determined by the electric field.When increasing the static electric strength,the amplitude increases while the frequency decreases.And when increasing the frequency of harmonic electric strength,the actuating unit shows a resonate effect and the resonant frequency decreases with the increase of harmonic electric strength.%针对不同电压载荷情况下介电弹性体驱动单元的动态特性,考虑材料非线性、介电常数变化和惯性效应等因素的影响,从热力学能量转化的角度得到了基于Ogden应变能函数的介电弹性体驱动单元的二阶常微分运动方程,并分析了系统的动态响应及模型几何尺寸的影响.结果表明:介电弹性体驱动单元动态响应的振幅由电场强度决定.在恒定场强下,随着电场强度幅值的增大,驱动单元的振幅将随之增大、振动频率将随之减小;在简谐场强下,随着电场强度频率的增大,驱动单元将发生共振,且共振频率将随电场强度的增大而减小.【期刊名称】《材料科学与工程学报》【年(卷),期】2018(036)001【总页数】4页(P31-34)【关键词】介电弹性体;驱动单元;动态特性;数值模拟【作者】赵政弘;帅长庚;张世轲【作者单位】海军工程大学振动与噪声研究所,船舶振动噪声重点实验室,湖北武汉430033;海军工程大学振动与噪声研究所,船舶振动噪声重点实验室,湖北武汉430033;海军工程大学振动与噪声研究所,船舶振动噪声重点实验室,湖北武汉430033【正文语种】中文【中图分类】TB3811 引言介电弹性体(DE)是指在外加电场载荷激励下能够产生较大变形的电活性聚合物(EAP)材料，是一种具有巨大发展潜力的新型智能材料。
球壳形介电弹性体驱动器电致应变特性分析
关键 词 ：电致 应变 特性 球 壳形 介 电弹 性体 驱动 器 有限 元模 拟
ＤｏＩ ：１ ０ ． １ ６ ４１ ３ ／ ｊ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ７—０ ８ ０ ｘ ． ２ ０１ ５ ． ０ ４． ０ ０ ６
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｄｉ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｅ ｌ ａ ｓ ｔ ｏ ｍｅ ｒ （ ＤＥ）ｉ ｓ ａ ｔ ｙ ｐ ｅ ｏ ｆ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ － ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｐ ｏ ｌ ｙ ｍｅ ｒ ． Ｓ ｕ ｂ ｊ ｅ ｃ ｔ ｔ ｏ ａ ｌ ｌ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｖ ｏ ｌ ｔ —
Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ． Ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍ ｅ ｎ ｔ ；
球 壳形 介 电 弹 性 体 驱 动 器 电致 应 变 特 性 分 析
Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｎ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｔ ｒ ｉ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ Ｂｅ ｈ ａ ｖ ｉ ｏ ｒ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｓ ｐ ｈ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ＤＥ Ａｃ ｔ ｕ ａ ｔ ｏ ｒ ｓ
ａ ｇ ｅ，ｔ ｈ ｅ ｃ ｈａ ｒ ｇ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｏ ｐ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｓ Ｏ ｉ ｌ ｔ ｈ ｅ ｔ ｗｏ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｄ ｅ ｓ ｃ ａ ｕｓ ｅ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｔ ｏ ｄ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍ ，ｓ ｕ ｃ ｈ ａ ｓ ｂ ｅ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ，ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｉ ｃ — ｔ ｉ ｎ ｇ ｏ ｒ ｅ ｘ ｐ ａ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ． Ｐ ｅ ｏ ｐ ｌ ｅ ｃ ａ ｎ ｐ ｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｅ ｌ ｙ ｃ ｏ ｎｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｄ ｉ ｔ ｓ ｄ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｂｙ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｚ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ ． Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｎｅ ｏ —
介电弹性体发电实验研究
图３ 实验测试电路原理图 ４实验及 结果分 析 ． 介电弹性体材料 的发 电利 用了可变电容原理 ，当外力作用在具有 预加 电场的介电弹性体材料上使其 变形时 ， 改变 电容 即可发电 ， 因此 弹 性体材料面积的改变将对发 电量产生影响 。图 ４为在其 他条件相 同的 前提下 ， 电极覆盖弹性体材料面积分别 为 １ ｅ ２ ５ｍ ，５ｍ 时 的实验 ５ｒ ， ｃ ｃ ａ ２ ３ 结果 。在 实验中 ， 泄放电阻 为 ２ 偏置 电压 为 １０ Ｖ 材料 拉伸后 为原 Ｇ， ００ ， 始材料长度 的 ３ ， 倍 通过实验得 出 ： ） （ 材料 面积为 １ｃ ， 出电压 ａ ５ｍ 时 输 高于偏置 电压 ８ Ｖ （ ） ０ ；ｂ 材料面积为 ２ ｃ ２ 输 出电压高 于偏 置电压约 ５ ｍ 时， 为 １０ ； ） ３ Ｖ （ 材料面积为 ３ｃ ２ ， ｃ ５ ｍ 时 输出电压高于偏置电压约 为２ ５ 。由 ２Ｖ 实验数据可知 ， 当拉伸量一定 时， 出电荷 电压 与材料 面积成 正比。 输
研 究。
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科技信息
博 士 ・ 家论 坛 专
住宅在建筑之前找过 风水 师看过风水 ， 住宅及 院落的主体位置 、 与 周 围关系 、 动土 时间等 的确定都是根据风水先生的要求 房屋建成之后 也请 风水先 生过 目， 并做相应 的法事。在“ 进屋 ” 前按 照习俗摆酒设宴 。 南北两 面墙 正对房 屋门 口的位 置 ， 墙高逐渐升高 ， 风水上有“ 在 挡煞 ” 的 寓 意。 ４、 应对海南气候条件的住宅特征分析 ４１海南 台风概 况 ． 由于海南岛地理位置的特殊性 ， 平均 每年 至少都会遇见一 次台风 ， 素来有 “ 台风走廊 ” 称 。据 １ ５ ～ ０ ３ 气象 资料统 计 ， 之 ９ ０ ２０ 年 海南 岛 自 １５ ９０年以来共发生有危害 的台风 ８ ４次 ， 平均每年 １ ８次 ； ． ５ 多年平均影 响海南的台风有 ７７次 ， ． 年均登 陆 ２ ． ６次。大部分 台风都是 从海南岛的
介电弹性体发电机自偏置机理研究
介电弹性体发电机自偏置机理研究介电弹性体发电机自偏置机理研究引言：随着能源需求的不断增长和能源危机的逼近，人们对可再生能源的研究越来越重视。
近年来，介电弹性体发电技术逐渐受到关注。
介电弹性体是一种具有特殊电与机械性能的材料，利用其特性可转化为电能。
介电弹性体发电机是一种利用介电弹性体的变形产生电能的装置。
本文旨在探索介电弹性体发电机自偏置的机理，进而提高其发电效率。
1. 介电弹性体发电机的原理介电弹性体发电机利用介电材料的变形产生电能。
当施加外力或者机械变形于介电材料时，产生应变，由于介电材料的电弹性效应，引起材料内部电势的变化。
这种内部电势变化将导致电荷的分离和积累，从而产生电流。
通过外部电路连接收集电荷并驱动电子设备或储存电能。
2. 介电弹性体发电机的自偏置现象自偏置现象是指介电弹性体发电机在没有施加外力的情况下仍能够产生电能的特性。
这是由于介电弹性体本身具有的非线性特性导致的。
在没有施加外力的情况下，介电弹性体发电机的内部电势处于平衡状态，电荷均匀分布。
但是当介电弹性体发电机被扭曲或施加机械压力时，介电弹性体发生变形，电势变化导致内部电荷的分离。
一旦外力移除，介电弹性体会返回原始形状，但电荷分布却不会完全恢复平衡状态，而是在一定程度上保持分离状态。
这种分离状态预先生成的电场和电势差引发了自偏置现象。
3. 自偏置机理的探究自偏置机理的探究对于进一步提高介电弹性体发电机的效率至关重要。
（1）晶格缺陷理论：晶格缺陷是介电弹性体内部自偏置现象的重要因素。
介电弹性体中晶格缺陷的产生和储存是通过超过材料内部弹性极限引起的。
晶格缺陷的产生会克服晶体的结构稳定性，因此产生电荷的能力也更大。
这个过程通常需要一定的时间来存储电荷。
（2）电迁移现象：电迁移现象是另一个影响自偏置机理的因素。
当电荷分离状态产生时，电荷首先从导电层向非导电层迁移。
电迁移速率取决于介电材料内部化学成分、材料的电导率和电场强度。
电迁移现象与晶格缺陷理论共同作用，共同影响自偏置机理。
新型电致活化材料—介电弹性体的驱动特性研究
新型电致活化材料—介电弹性体的驱动特性研究欧阳杰;胡意立【摘要】In order to solve the problems of shortage in new technology area, such as actuator, artificial muscle,bio-robot etc. , the electroac-tive polymeric materials -electric-acrylic elastomer was investigated. The analysis of the driver characteristics of dielectric elastomer was done. Through experiments, the main factors of affecting E-ACE material active zone (electrode coating regional) area strain were researched. The relationships between active zone area strain and these influencing factors were found out . Thereby appropriate conditions which can get required active zone area strain were determined according to relationships between them. The results show that: whether uniaxial pre-stretching or the uniform and non-uniform biaxial pre-stretching, the general trend of the effects of the active zone area strain are increased first and then decreased with the amount of stretching increases. The active zone area strain is increased with increasing applied voltage, reduced with the active zone and the window radius ratio increasing. By analyzing the experimental results, it shows that search for suitable conditions on the active zone to generate the required area strain is very important.%为解决微型致动器、人造肌肉、仿生机器人等新型科技研究领域短缺问题,将电活性聚合物材料—介电弹性体应用于新型驱动器研究中,开展了对弹性体材料驱动特性的相关分析.通过实验研究了影响E-ACE材料激活区(电极涂层区域)面积应变的主要因素,以寻找激活区面积应变和这些影响因素之间的关系,进而根据它们之间的关系确定能获得所需激活区面积应变的合适条件.实验结果显示:不论单轴预拉伸还是双轴的均匀与非均匀预拉伸,对激活区面积应变影响的总趋势都是随着拉伸量的增大先增大后减小.而激活区面积应变随着外加电压的增加而增大,随着激活区与窗口半径比的增大而减小.通过分析实验结果发现,寻找合适的条件对激活区产生所需的面积应变很重要.【期刊名称】《机电工程》【年(卷),期】2011(028)010【总页数】4页(P1203-1205,1221)【关键词】介电弹性体;电活性聚合物材料;驱动器;实验研究【作者】欧阳杰;胡意立【作者单位】浙江师范大学工学院,浙江金华321004;浙江师范大学工学院,浙江金华321004【正文语种】中文【中图分类】TH14电活性聚合物的种类包括:导电橡胶、离子交换膜金属复合材料、凝胶体、纳米管及介电弹性体等。
介电弹性体驱动器在柔性机器人中的研究进展
介电弹性体驱动器在柔性机器人中的研究进展柔性机器人是指结构灵活、具有高度柔韧性的机器人系统，可以在复杂环境中实现高度灵活的运动和智能控制。
与传统刚性机器人相比，柔性机器人在操纵能力、适应性和安全性方面具有更大的优势。
为了实现柔性机器人的运动控制，驱动技术显得尤为重要。
近年来，介电弹性体作为一种新型驱动材料被广泛应用于柔性机器人中，并取得了令人瞩目的研究进展。
介电弹性体是一种能够在电场刺激下发生形状变化的材料。
它由聚合物基体和高分子接枝链组成，通过改变外界电场的强度和方向，可以控制介电弹性体的形状和运动。
介电弹性体驱动器以其独特的特性在柔性机器人领域引起了广泛关注。
首先，介电弹性体驱动器具有较大的变形能力。
介电材料的特殊结构使其具有较低的刚度，并能够在外界电场刺激下发生较大的形变。
这使得介电弹性体驱动器能够实现柔性机器人的高度变形和伸缩，从而适应复杂环境下的工作需求。
其次，介电弹性体驱动器具有较快的响应速度。
相比于其他驱动技术，介电材料的响应速度较快，可以迅速地实现形状变化。
这为柔性机器人的实时控制提供了更高的精度和可行性。
此外，介电弹性体驱动器具有较低的噪音和振动水平。
由于介电材料的柔软性和高度可变性，介电弹性体驱动器在运动过程中产生的噪音和振动较小，使得柔性机器人能够在噪音敏感的环境中进行工作。
另外，介电弹性体驱动器还具有较低的功耗。
介电材料驱动的柔性机器人不需要大量能量来实现运动，相比于传统的机械驱动，其能耗更低，更加节能环保。
然而，介电弹性体驱动器也存在一些挑战和限制。
首先，介电材料的稳定性和寿命问题是目前研究的热点之一。
由于介电材料在长时间使用和多次形变后容易出现疲劳和破损，这限制了柔性机器人的长期可靠性和稳定性。
其次，介电弹性体驱动器在控制方面还存在一定的挑战。
由于介电材料的非线性和耦合特性，对其进行精确的建模和控制仍然是一个难点。
因此，如何实现介电弹性体驱动器的精准控制仍然需要进一步的研究和探索。
新型电致活化材料—介电弹性体的驱动特性研究
（ 浙江 师范 大学 工 学 院 ， 江 金 华 ３ １０ ） 浙 ２ ０４
摘要 ： 为解决微型致动器 、 人造肌 肉、 仿生机器人等新 型科技研究 领域短 缺问题 ， 电活性 聚合 物材料一介 电弹性 体应用 于新型 驱 将
动器研 究 中， 开展 了对 弹性体材料驱 动特性 的相关 分析。通 过实验研究 了影 响 ＥＡ Ｅ材料激 活区 （ —Ｃ 电极涂层 区域 ） 面积 应变 的主
Ｔ ｒｕｈｅｐｒ ｅ ｔ， ｈ ａ ｈｏｇ ｘｅ ｍ ｎｓ ｔｅｍ ｉ ｉ ｎ￣ｃ ｒ ｏ ｆ ｔ ｇＥ Ａ Ｅｍ ｔｒ ｃ ｖ ｏｅ（ｌｃ ｏｅｃａｉｇ ｅｉ ａ）ａｅ ｒｉ ｅｅｒｓａｃｅ ．Ｔ ｅ ｔ ｆ ｆ ｃ ｎ ・ Ｃ ａｅ ａ ａｔ ｅ ｎ ｅ ｔ ｄ ｏｔ ｇ ｎ １ ｒａｓ ａ ｗ ｒ ｅｒｈｄ ｈ ｏ ｓ ａｅ ｉ ｉ ｌ ｉ ｚ ｅｒ ｎｒ ｏ ｔ ｎ ｅ
第２ ８卷第 １ ０期
２１ ０ １年 １ ０月
机
电
工
程
Ｖｏ ． ８ Ｎ ． ０ １２ ｏ １
０ｃ ．２０１ １
Ｊｕ ａ ｆＭｅ ｈ ｎｃｌ＆ Ｅ ｅｔ ｃ ｌＥ ｇｎ ｅ ｎ ｏ ｒｌ ｏ ｃ ａ ｉａ ｎ ｌｃｒ ａ ｎ ｉｅ ｒ ｇ ｉ ｉ
新 型 电致 活化 材 料一 介 电弹性体 的驱 动特 性研 究 木
要因素 ， 以寻找激 活区面积应变 和这些影 响因素之 间的关系 ， 进而根 据它们之 间的关 系确 定能获 得所需激 活 区面积应变 的合适 条
件。实 验结果显示 ： 不论单轴预拉伸还是 双轴 的均 匀与非均匀预拉伸 ， 对激活 区面积应变 影响 的总趋势都 是随着 拉伸量 的增大 先 增 大后 减小 。而激活区面积应 变随着外加电压的增加而增大 ， 随着激活 区与窗 口半 径 比的增大 而减小 。通过 分析实 验结果 发现 ， 寻找合适 的条件对激活区产生所需的面积应变很重要 。 关键 词 ： 电弹性体 ； 介 电活性聚合物材料 ； 驱动器 ； 实验研究
[整理]2012年第二批西安交通大学本科生科研训练和实践创新基金项目结题验收结果
![[整理]2012年第二批西安交通大学本科生科研训练和实践创新基金项目结题验收结果](https://img.taocdn.com/s3/m/bf6b76540b1c59eef8c7b47b.png)
白建勇、毛晋兵、王哲
李娜
合格
22012048
能动学院
大型电气设备的蒸发冷却模型理论分析及实验研究
张鑫烨
王子川、李莹、朱明辉
晏刚
合格
22012041
能动学院
适应海气（sea-air）耦合环境状况的弹性风力机叶片研究
秦远智
石朝胤、曾义凯、苏旭
张家忠
合格
22012049
能动学院
太阳能及水汽化潜热温差发电装置
王立琦
合格
22012081
电信学院
基于FPGA身份识别系统设计
陈怀玉
崔轶群、方莹、闫岩、蔡润强
张超
合格
22012087
电信学院
移动互联网中细粒度的应用行为识别系统
单丹枫
陈曦宇、洪俊恺
胡成臣
合格
22012086
电信学院
基于介电弹性体材料的新型器件设计
刘夏林
王爽、郝家震、王林茜、何欣
汪宏、向锋
合格
22012095
笔记本电脑散热器
王泽阳
王涛、牛红塔
张西宁、曹军义
优秀
22012021
材料学院
燃烧法快速合成六方氮化硼基发光材料
崔翔
曹大显、曲栋、刘丽、姜世进
史忠旗
优秀
22012019
材料学院
可快速解离温敏型透明质酸水凝胶的制备
王小娜
冯家浩、衡昊坤、杨楠、叶帆
钱军民
优秀
22012022
材料学院
天然橡胶的接枝改性及在压敏胶中的应用研究
孙涛
邱霞、郭兴、李明声
吴东垠
合格
22012060
电气学院
介电弹性体驱动器动态电压下的变形特征及击穿行为研究
第53卷第2期 2019年2月西安交通大学学报JOURNAL OF XP AN JIAOTONG UNIVERSITY V〇l. 53 N o.2F e b.2019DOI：10. 7652/xjtuxb201902002介电弹性体驱动器动态电压下的变形特征及击穿行为研究刘学婧％，贾书海％，李博%&，陈花玲123(1.西安交通大学机械工程学院，710049,西安'2.西安交通大学陕西省智能机器人重点实验室，H0049，西安'3.西安交通大学机械强度与振动国家重点实验室，710049,西安）摘要：针对介电弹性体（D E)驱动器驱动性能难以预测的问题，以V H B4910薄膜为待测D E材料，圆形D E驱动器作为研究对象，针对低频条件下（0. 1!10H z)D E驱动器的动态变形与击穿行为展 开了实验研究。
搭建了力电耦合实验测试平台，通过实验归纳了驱动电压参数对D E驱动器动态 变形和击穿的影响规律。
实验结果表明：D E驱动器的动态变形平衡位置受到电压幅值的影响，动 态变形的振幅则受到电压频率和幅值的共同制约。
动态击穿电压的数值分散性强，难以得到明显 的规律特征，因此不能准确对动态击穿行为进行表征，而通过实验发现D E驱动器能承受的电压循 环周期数会受到多种驱动电压参数的显著影响，故提出采用电压循环周期数对动态击穿行为进行分析。
借鉴机械循环载荷下的经典疲劳曲线方程，提出利用名义静电应力幅值代替机械应力幅值、对D E驱动器在动态电压下的电致疲劳寿命曲线进行拟合的方法，以期为动态电压作用下D E驱 动器的寿命预测提供一种新思路。
关键词：介电弹性体驱动器；动态变形；击穿；疲劳寿命中图分类号：T H145. 4;T P24 文献标志码：A文章编号：0253-987X(2019)02-0009-07A Research on Deformation and Breakdown Behavior of DielectricElastomer Actuators Under Dynamic Electrical LoadsL l U X u e j i n g1，J I A S h u h a i1，LI B o1'2，C H E N Hualing1'2'3(1. School of Mechanical Engineering，X i?an Jiaotong University，X i?an 710049，China；2. Shaanxi Key Laboratory of Intelligent Robot，X i?an Jiaotong University，X i?an 710049，China；3. State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures，X i?an Jiaotong University，X i?an 710049，China)Abstract：Dielectric e lastomer based actuators(D E A s)is regularly subjected to dynamic electric loads to produce reciprocating deformations and its driving performance such as deformation response and b r e a k d o w n behavior i s affected by various driving voltage parameters.T h e relevant changing laws are unrevealed，and i t i s difficult to predict its critical b r e a k d o w n condition in applications.T h e dynamic deformation and b r e a k d o w n behaviors of circular D E A s based on V H B4910 film are experimentaly investigated，and the changing rules of driving voltage parameters on the dynamic deformation and b r e a k d o w n behavior of D E A are s u m m a r i z e d.T h e experimental results s h o w t h a t t h e dynamic deforma t i o n equilibrium pos i t i o ns of t h e D E A s are affect e d b y the voltage amplitude and the deformation amplitudes are influenced by both the frequency and amplitude of the voltage.M o r e o v e r the dynamic b r e a k d o w n vol t a ges of D E A s收稿日期：2018-06-23。
介电弹性体性能分析及应变模拟
中国科学技术大学硕士学位论文表卜１ＥＡＰ，ＳＭｇＥＡｃ的性能比较表特性电敏感聚合物（ＥＡＰ）形状记忆合金（ＳＭＡ）电敏感陶瓷（ＥＡＣ）致动应变＞１０％＜８％短疲劳寿命０．１．０．３％应力（ＭＰａ）０．１－３大约７００３０－４０响应速度微秒（／ａｓ）到秒秒（ｓ）到分钟（ｍｉｎ）微秒（卢ｓ）到秒（ｓ）密度１－２．５９／ｃｃ５－６９／ｃｃ６－８９／ｃｃ。
驱动电压２Ｖ：６ＫＶＮＡ５０，８００Ｖ消耗能量毫瓦瓦瓦断裂韧度弹性的弹性的脆弱的电敏感聚合物材料的性能吸引了许多不同学科的工程师和科学家的注意。
ＥＡＰ的人工肌肉概念可以应用在仿生动物和生物的运动上，这也大大激励了仿生学的开创者。
在可预知的将来，ＥＡＰ驱动的机器人机构将使工程师能够创造出只有在科幻小说中才能出现的设备。
在２００３年，已经报道了巨大的成就，其中包括第一个商用产品的出现以及可能使用ＥＡＰ制作出的手臂，它有望胜过人类手臂。
一个这样的商用产品已经在２００２年１２月出现了，它是日本Ｅａｍｅｘ公司的机器鱼，如图１．１所示。
没有电池或者发动机，它也可以游泳，它使用了对激励弯曲的ＥＡＰ材料。
它使用感应卷来提供能量，该能量卷从上到下绕满了鱼槽并施加了电压。
这种机器鱼是该领域的一座里程碑，因为它是第一例报道过的使用电敏感材料致动器的商用产品。
图ｌ一１第一个商用的ＥＡＰ产品一机器鱼中国科学技术大学硕士学位论文图１．２是一个离子ＥＡＰ的响应例子。
在图１－２中，一个海星形状的ＩＰＭＣ（离子聚合物一金属合成物）显示了明显的弯曲。
弯曲方向依赖于电压极性。
图ｌ－２ＩＰ眦多指海星最值得一提的是在２００４年美国新墨西哥州举行的ＥＡＰＡＤ会议的ＥＡＰ．ｉｎ－Ａｃｔｉｏｎ会议上，美国环境机器人公司展示了ＥＡＰ驱动的角力手臂，如图１－３所示。
这种角力手臂有和人类平均手臂的一样的大小和形状，它使用传导聚丙烯腈ＥＡＰ来驱动。
这种ＥＡＰ材料在实验中产生了近乎２００％的线性应变以及比人类肌肉还要大的力量。
介电弹性体发电原理分析及应用
介电弹性体发电原理分析及应用作者：刘志运周芸悦来源：《机电信息》2021年第17期摘要：介电弹性体（Dielectric Elastomer，DE）是一种电活性聚合物，是一种表现出对电场响应的大应变材料。
现介绍了介电弹性体中基质材料的结构特性，并详细分析了介电弹性体发电的基本原理、发电技术及其相比现有传统发电技术所具备的优势。
根据近年来人们对介电弹性体的研究，总结并提出了介电弹性体未来发展中可能存在的问题以及应用前景。
关键词：介电弹性体;发电原理;应用0 引言介电弹性体研究自20世纪90年代中期开始，作为一类重要的功能材料，介电弹性体各方面已得到各国学者广泛研究，如非线性光学、铁电、压电元件和电致伸缩性等。
近年来，通过改变形状来响应磁场、电场、压力等外部刺激的聚合物研究越来越多，电活性聚合物可能是被研究最多的一类，介电弹性体作为电活性聚合物的一种，具有张力大、工作原理简单的特点。
介电弹性体在外部电场的刺激下可改变其结构形状或体积。
当物体外部承受电能的刺激动作停止时，即可自动恢复或回到原来的物体形状或缩小体积，从而自动产生机械应力和运动应变，将外部电能自动转化为电动机械的性能，机电转换效率高。
1 介电弹性体中基质材料的结构特征1.1 聚丙烯酸酯类弹性体聚丙烯酸酯弹性体，一种由丙烯酸乙酯和其他丙烯酸酯共聚而成的合成橡胶，外加少量（约5%）另一种含有活泼鹵素的化合物，如氯，用于弹性体的其他丙烯酸酯包括丙烯酸正丁酯、丙烯酸甲氧乙酯和丙烯酸乙酯，这些化合物具有良好的耐热、耐臭氧、耐光和耐油性[1]。
目前，使用最广泛的以丙烯酸酯为基础的DES是商用丙烯酸酯材料，如3M商用胶带VHB 4910和VHB 4905。
亚克力材料因其低廉的价格、优异的性能、对顺应电极的良好附着力等优点而受到许多研究者的青睐。
在高预应变水平下，亚克力材料的最大应力和驱动应变分别达到7.7 MPa和380%，预拉伸后亚克力材料的电击穿强度达到了空前的水平[2]。
基于介电弹性体面积应变特性的实验研究
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工 业 技 术
长 轴 和 预 拉 伸 的 方 向 垂 直 ， 图 ３ａ 、 ｂ 所 如 （）（ ） 示 。 激 活 区 在 没 有 预 托 伸 的 方 向 上 比预 即 拉 伸 方 Ｊ变 化 更 大 一 ， 是 由 十 住 没 二 这 卜 反 两 表 面 ， 后 将 中央 圆 形 部 分 涂 上 电 极 有 预 拉 伸 方向 上 比 预 拉 伸 方 向 ＿ 激 活 区的 然 材 料 ， 用 条 状 铜 片 作 为 引 电 极 分 别 粘 应 变 潜 力 更 大 ・ （ Ｉ 再 螳 弹 ｆ 薄 膜 住 保 持 趟 牛体 在 两 表 面 ， 后将 绝 缘 塑料 板 固定 征 绝 缘 弹 性 的 基 础 上 其 总 应 变 是 有 限 度 的 ） 所以 最 ， 底座上 ， 与高压直流电源相连 。 并 其在 没有预应 变的方 向上变化 更大一些 。 在 实 验 中 将 数 码 相 机 固 定 三 角 架 当外 加 电 压 增 加 到 一定 值 时 激 活 区 还 会 出 上， 于 记 录 实 验 现 象 ， 基 于 Ｂ样 条 小 波 现 规 则的 皱 ， 褶 的 纹 理 走 向和 预 拉 伸 ：用 用 皱 的 图像 边 缘 提 取 技 术 对 采 集 的 Ｉ 进 行 处 的 向 敛 ， 图 ３ Ｃ 所 示 。 是 ｍ 丁薄 膜 剞像 如 （） 这 理 ， 后 再利 用 ＣＡＤ软 件 本 身 自带 的 面 然 住 预 拉 伸 过 程 中 本 身 出 现 的 拉 伸 不 均 匀 造 计 算 功 能 计 算 出激 活 区 域 在 变 形 前 后 的 而 成 的 ， 薄 膜 的 内应 力与 外加 电压 产 生 的 当 积 ， 而 再 比较 精 确 的计 算 出 面积 应 变 。 从 实 麦 克 斯 韦 力 瞬 ｆ 不 平 衡 时 （ 间 不 平 衡 ， Ｈ 】 瞬 主 验 过 程 中将 电 压 慢慢 加 至薄 膜 崩溃 或者 应 力 变 化 跟 小 上 麦 克 斯 韦 压 力的 变 化 ） 扩 ， 现 明显 皱 褶 为 Ｉ ， ｆ 用摄 相 机 记录 整 个 变 大 了 这 种 拉 伸 不 均 匀 ， 而 使 得 激 活 区 出 ： 从 化 过 程 ， 于 以 后 处 理 数据 。 图 ｌ 出 ｒ 便 如 给 现 了明显的皱褶 。 薄膜通 电前后的变形 图。 ３． ２双 轴 预 拉 伸 对 面 积 应 变 的影 响 １． 双 轴 预 拉 伸 又 分 为 均 匀 双 轴 预 拉 伸和 ３实验结果 与分析 非 均 匀 双 轴 预 托 伸 。 匀 双 轴 预 拉 ｆ 指 在 均 ｝ ｝ Ｊ 两 个 方 向 上 的 预 拉 伸 量 相 同 ， 之 ， 均 匀 反 非 ３． 不 同预拉 伸 与面积 应 变的 关 系 １ 预 拉 伸分 单 轴 预拉 伸 和 双轴 预 拉 伸 ， 单 预 拉 伸 指 在 两 个 方 向 上 的 预 拉 伸 量 不 同 。 轴 预拉 伸指 任 ・ 条直 线 将 薄 膜 进 行 ・ 定 首 先 ， 虑 均 匀 预 拉 伸 对 激 活 区 面 积 考 激 比例 的预 拉伸 ， 如 １ ０ 比 ０ ％的单轴 预拉 伸是指 应 变 的 影 响 。 活 区 面积 序 变 的 大 小 是 随 后 将 薄 膜 在某 一 方 向上 的 长 度 拉 伸 到 原 来 的 着 预 拉 伸 的 增 大 还 是 先 增 人 ， 来 又慢 慢 即 如 ２ 。 双 轴 预 拉 伸 指 在 相 垂 直 的 两 条 直 减 小 ， 住 变 化 过 程 中存 在 拐 点 ， 图４所 倍 而 示 。 且 根据 实 验 数 据 可 以 确 定 激 活 区 的 并 线 方 向上 将 薄 膜 进 行 一 定 比例 的 预拉 伸 。 ０ ％ ３． ． １ １单 轴 预 拉 伸 对 面 积 应 变 的 影 响 面 积应 变 出现 拐 点 的 位 置 预 拉 伸 为２ ０ 激 单 轴 预 拉 伸 产 生 的 而 积 应 变 比较 小 ， 的 时 候 。 活 区 的 面 积 应 变 之 所 以 会 出 现 当 但 在 一 预拉 伸 范 围 内 ， 体 上 的 趋 势 是 拐 点 足 由 于 薄 膜 本 身 的 应 变 是 有 限 的 ， 定 总 所 面 积应 变 随 着 预 拉 仲 量 的 增 火 先 是 增 大 ， 其 应 变 超 过 其 极 限 值 时 薄 膜 就 会 破 裂 ， 随 后 会 减 小 ， 明 激 活 区的 而 积 应 变 在 变 以 当其 预应 变达 到某 ～值 时 必 然 会 出现 最 说 ・ 即 化 过 程 中 有 拐 点 ， 图２ 示 。 且 激 活 区 大 面 积 应 变 ， 会 出 现 拐 点 。 如 所 而 其 次 ， 均 匀 预 拉 伸 对 激 活 区 面 积 应 非 ２０ ０ 变 的影 响 类似 十 单轴 预 拉 伸对 激 活 区面 积 兰 １０ ５ 应 变的 影 响 。 住 ・ 预 拉 伸 范 围 内 ， 即 定 总体 上 的趋 势还 是 面 移｛ 变 随 着 预 拉 伸 量 的 增 应 制 ｌ０ ０ ｊ 大 先
介电弹性体研究前沿及其演化的可视化分析
第３５卷第６期２０１８年６月机㊀㊀电㊀㊀工㊀㊀程ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏｌ.３５Ｎｏ.６Ｊｕｎ.２０１８收稿日期:２０１７－０９－２１基金项目:浙江省自然科学基金资助项目(ＬＹ１７Ｅ０７０００１)ꎻ浙江省基础公益研究项目工业项目(ＬＧＧ１８Ｅ０７０００５)ꎻ国家自然科学基金资助项目(５１３７７１４６ꎬ５１４０７１６２)ꎻ国家级大学生创新创业训练计划项目(２０１６１０３４５０２８)作者简介:鄂世举(１９７０－)ꎬ男ꎬ吉林长春人ꎬ博士ꎬ副教授ꎬ主要从事新型功能材料驱动与发电方面的研究ꎮＥ￣ｍａｉｌ:２７６８２８３７３＠ｑｑ.ｃｏｍ通信联系人:曹建波ꎬ男ꎬ博士ꎬ副教授ꎬ硕士生导师ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｃａｏｊｉａｎｂｏ２００８＠１６３.ｃｏｍＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００１－４５５１.２０１８.０６.００８介电弹性体研究前沿及其演化的可视化分析∗鄂世举ꎬ包辉煌ꎬ曹建波∗ꎬ张海艇ꎬ包昆伟ꎬ王武辉(浙江师范大学工学院ꎬ浙江金华３２１００４)摘要:针对目前介电弹性体材料的相关研究进展问题ꎬ运用信息可视化技术对近十年的相关文献进行了研究ꎮ以 ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｅｌａｓｔｏ￣ｍｅｒ 为主题词对ＷｅｂｏｆＳｃｉｅｎｃｅ的ＳＣＩ核心数据库进行了检索ꎬ利用ＣｉｔｅＳｐａｃｅ信息可视化软件对数据进行了计量分析ꎬ对介电弹性体文献￣共引网络图谱和文献￣突现词共引混合图谱进行了绘制ꎬ对介电弹性体研究演进进行了梳理ꎬ对介电弹性体研究的前沿热点进行了归纳ꎮ归纳结果表明:介电弹性体材料领域正处于大发展时期ꎬ中美两国在该领域的科研投入较多ꎬ得到了３篇有显著影响力的关键节点文献ꎬ对介电弹性体材料在组成㊁性能和方法这３个方面的研究具有重要的意义ꎮ关键词:介电弹性体ꎻ前沿ꎻ演化ꎻ信息可视化ꎻＣｉｔｅＳｐａｃｅ中图分类号:ＴＨ１４２ꎻＴＢ３４㊀㊀㊀㊀文献标志码:Ａ文章编号:１００１－４５５１(２０１８)０６－０５９０－０４ＶｉｓｕａｌｉｚｉｎｇｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｆｒｏｎｔｓａｎｄｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｅｌａｓｔｏｍｅｒｓＥＳｈｉ￣ｊｕꎬＢＡＯＨｕｉ￣ｈｕａｎｇꎬＣＡＯＪｉａｎ￣ｂｏꎬＺＨＡＮＧＨａｉ￣ｔｉｎｇꎬＢＡＯＫｕｎ￣ｗｅｉꎬＷＡＮＧＷｕ￣ｈｕｉ(ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＺｈｅｊｉａｎｇＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＪｉｎｈｕａ３２１００４ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｅｌａｓｔｏｍｅｒｍａｔｅｒｉａｌｓꎬｕｓｉｎｇｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬｔｈｅｒｅｌａｔ￣ｅｄｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｉｎｒｅｃｅｎｔｔｅｎｙｅａｒｓｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ.ＴｈｅＳＣＩｃｏｒｅｄａｔａｂａｓｅｏｆＷｅｂｏｆＳｃｉｅｎｃｅｗａｓｓｅａｒｃｈｅｄｗｉｔｈｔｈｅｗｏｒｄ"ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｅｌａｓｔｏｍｅｒ"ａｓｔｈｅｋｅｙｗｏｒｄ.ＵｓｉｎｇＣｉｔｅＳｐａｃｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅꎬｔｈｅｄａｔａｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ.Ａｎｕｍｂｅｒｏｆｃｏ￣ｃｉｔａｔｉｏｎｍａｐｓｏｎｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｅｌａｓｔｏ￣ｍｅｒｗｅｒｅｐｌｏｔｔｅｄ.Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｗａｓｒｅｖｉｅｗｅｄꎬａｎｄｔｈｅｆｒｏｎｔｉｅｒｓａｎｄｈｏｔｓｐｏｔｓｗｅｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ.ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｅｌａｓｔｏｍｅｒｍａｔｅｒｉａｌｉｓｕｎｄｅｒｔｈｅｐｅｒｉｏｄｏｆｇｒｅａｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｍｏｒｅｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｒｅｓｅａｒｃｈａｒｅｉｎｖｅｓｔｅｄｉｎｔｈｉｓｆｉｅｌｄｉｎｂｏｔｈＣｈｉｎａａｎｄｔｈｅＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓ.ＡｆｔｅｒｔｈｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｅＳＣＩｃｏｒｅｄａｔａｂａｓｅｏｆＷｅｂｏｆＳｃｉｅｎｃｅꎬｔｈｒｅｅｋｅｙｎｏｄｅｓｗｉｔｈｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄꎬｗｈｉｃｈｃａｎｒｅｖｅａｌｔｈａｔｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｅｌａｓｔｏｍｅｒｍａｔｅｒｉａｌｓｈａｓｇｒｅａｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｉｎｔｈｅａｓｐｅｃｔｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓꎬｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｅｌａｓｔｏｍｅｒꎻｆｒｏｎｔｉｅｒｓꎻｅｖｏｌｕｔｉｏｎꎻｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎꎻＣｉｔｅＳｐａｃｅ０㊀引㊀言从２０世纪９０年代初发展起来的电活性聚合物(ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅｐｏｌｙｍｅｒꎬＥＡＰ)ꎬ其特性是在电刺激作用下会发生大的形状变化ꎬ使得许多科研人员致力于ＥＡＰ材料的研究ꎬ并扩大到高分子材料领域[１]ꎮ其中ꎬ电子型ＥＡＰ的介电弹性体材料(ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｅｌａｓｔｏ￣ｍｅｒꎬＤＥ)广泛应用于传感器㊁致动器㊁发电机等ꎬ具有良好的应用性能[２]ꎮＤＥ可以从环境资源(如海洋能㊁水流㊁风能㊁人体运动等)中获取能量ꎬ由于其具有高能量密度和高转换效率ꎬ使其具有可观的发展前景[３]ꎮ本研究将以近十年(２００８年~２０１７年)ＷｅｂｏｆＳｃｉｅｎｃｅ(ＷｏＳ)的ＳＣＩ核心数据库收录的介电弹性体相关研究论文为数据源ꎬ分析介电弹性体研究的实力分布ꎬ并用ＣｉｔｅＳｐａｃｅ信息可视化软件为分析工具ꎬ以可视化的方式显示介电弹性体研究领域的发展进程与结构关系ꎬ对介电弹性体领域的知识基础㊁研究热点及前沿趋势等进行分析ꎬ总结其发展特征与规律ꎬ以期为推进我国介电弹性体的研究与应用提供理论依据ꎮ１㊀数据来源与处理随着介电弹性体技术的发展ꎬ对介电弹性体的研究越来越多ꎬ相应的文献也在不断增多ꎮ例如ꎬ在ＳＣＩ数据库中以 ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｅｌａｓｔｏｍｅｒ 为主题词的文献由２００８年的６２篇增长到了２０１７年８月的１６３篇ꎬ统计折线图如图１所示ꎮ图１㊀２００８年 ２０１７年８月介电弹性体论文数量统计折线图本研究以 ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｅｌａｓｔｏｍｅｒ 为主题词ꎬ对２００８~２０１７年间以英语发表的 Ａｒｔｉｃｌｅ 类文献进行检索ꎬ共获得１４２３条文献数据ꎬ其中共包含引文９５３８条(２０１７－０８－３１检索)ꎮ在计量分析中ꎬ以１年为单位ꎬ将２００８~２０１７年的１０年分成１０个时段ꎮ使用信息可视化软件ＣｉｔｅＳｐａｃｅ(版本号:５.１.Ｒ６ＳＥ(６４￣ｂｉｔ))对这些数据进行分析ꎬＣｉｔｅＳｐａｃｅ可以直接转换从网络上保存的数据格式ꎬ不需要下载原始文献数据[４￣５]ꎮ２㊀文献分析２.１㊀机构分布对发文机构进行分析ꎬ可为相关学者了解研究机构的科研实力以及进行科研合作提供指导作用ꎮ介电弹性体论文研究机构中ꎬ西安交通大学位居榜首ꎬ发文８８篇ꎬ占总比６.１８％ꎻ哈佛大学次之ꎬ发文６４篇ꎬ占总比４.５０％ꎻ北京大学化学系和浙江大学并列第三ꎬ发文４３篇ꎬ占３.０２％ꎮ２.２㊀领域分布本研究对论文所涉及的领域进行了分析ꎬ２００８年~２０１７年８月介电弹性体论文排名前五的领域分别为材料科学(ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ)㊁物理学(Ｐｈｙｓｉｃｓ)㊁聚合物科学(ＰｏｌｙｍｅｒＳｃｉｅｎｃｅ)㊁工程学(Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ)和㊀化学(Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ)ꎬ其中在材料科学(ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉ￣ｅｎｃｅ)㊁物理学(Ｐｈｙｓｉｃｓ)和聚合物科学(ＰｏｌｙｍｅｒＳｃｉ￣ｅｎｃｅ)领域分布最多ꎬ分别为５６９㊁４２０和３０７篇ꎻ分布与其他领域的研究论文低于３００篇ꎮ３㊀实验及结果分析本研究运行ＣｉｔｅＳｐａｃｅ信息可视化软件ꎬ选择引文(ＣｉｔｅｄＲｅｆｅｒｅｎｃｅ)进行聚类(Ｃｌｕｓｔｅｒ)分析ꎬ同时设置合适的阈值ꎬ运行得到基于文献共引 突现术语介电弹性体研究可视化分析网络知识图谱ꎬ如图２所示ꎮ图２㊀共引 突现术语可视化分析网络知识图谱其中包括节点２２５个ꎬ连线９６６条ꎮ这一过程ꎬＣｉｔｅＳｐａｃｅ运行用了９.８５６ｓ时间ꎮ３.１㊀介电弹性体关键节点文献的演进分析文献共被引网络的演进关系ꎬ不同文献聚类之间通过关键节点文献相连接ꎬ而这些文献节点具有很好的中介中心性ꎬ起到连接和过渡不同的聚类网络作用ꎮ在由ＣｉｔｅＳｐａｃｅ信息可视化软件得到的文献共被引网络的可视化图谱中ꎬ关键节点是指中介中心性不小于０.１的节点ꎬ图谱中用紫色外圈表示网络中的关键节点ꎮ因此ꎬ在上述介电弹性体领域文献共被引网络图谱中ꎬ共包含了３个文献节点(Ｎｏｄｅ)ꎬ如表１所示ꎮ表１㊀介电弹性体研究领域关键节点文献摘要表引用频率中心度作者出版年文献题目期刊名称期刊卷号页码文献半衰期１２００.１２ＳｕｏＺＧ２００８Ａｎｏｎｌｉｎｅａｒｆｉｅｌｄｔｈｅｏｒｙｏｆｄｅｆｏｒｍａｂｌｅｄｉｅｌｅｃ￣ｔｒｉｃｓＪＭＰＳＶ５２６Ｐ４６７５１１６０.１０ＺｈａｏＸＨ２０１０Ｔｈｅｏｒｙｏｆｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｅｌａｓｔｏｍｅｒｓｃａｐａｂｌｅｏｆｇｉ￣ａｎｔｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆａｃｔｕａｔｉｏｎＰＲＬＶ１０４４４４０.１０ＣａｒｐｉＦ２００５Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｃｔｕａｔｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｏｆａｓｉｌｉｃｏｎｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｅｌａｓｔｏ￣ｍｅｒｂｙｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｏｆｔｉｔａｎｉｕｍｄｉｏｘｉｄｅｐｏｗｄｅｒＩＥＥＥＴＤ＆ＥＩＶ１２４Ｐ８３５７㊀㊀这３个关键节点都是在２００５~２０１０年发表的论文ꎬ分别发表于是«ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＰｈｙｓｉｃｓｏｆＳｏｌｉｄｓ»㊁«ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ»和«ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃ￣ｔｉｏｎｓｏｎＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＩｎｓｕｌａｔｉｏｎ»ꎬ不管是在本文所选ＳＣＩ核心数据库中ꎬ还是在Ｇｏｏｇｌｅ学术搜索中ꎬ３篇文献的被引次数都很高ꎬ故这３篇论文具有较高的研究价值ꎮ按照关键节点在网络中的中心度大小来看ꎬ中心１９５ 第６期鄂世举ꎬ等:介电弹性体研究前沿及其演化的可视化分析度最大的是ＳＵＯＺＧ在２００８年发表在«ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＰｈｙｓｉｃｓｏｆＳｏｌｉｄｓ»(影响因子:４.２５５)的«变形电介质的非线性场论»(Ａｎｏｎｌｉｎｅａｒｆｉｅｌｄｔｈｅｏｒｙｏｆｄｅｆｏｒｍａｂｌｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ)ꎮ该文在ＳＣＩ核心数据库中检索ꎬ被引频次达到２３７次(２０１７－０８－３１)ꎮ在网络中ꎬ其中心度为０.１２ꎬ是网络中中心度最大的关键节点ꎬ同时它连接了几乎各个时间段的共背引文献聚类ꎬ可见其在网络中的中心地位ꎮＳＵＯＺＧ主要对介电弹性体领域的电介质固体的场理论进行研究ꎮＳＵＯＺＧ的研究假设电介质中的每一个物质粒子都附有一个重量和一个电池ꎬ并规定一个虚拟位移场和一个虚拟电压场ꎮ将牛顿力学定律和麦斯威尔法拉第静电理论作为结果产生ꎬ引入机电耦合通过物质定律ꎬ在流体介质的极限情况下ꎬ该理论恢复了麦斯威尔应力ꎮ该理论适用于有限变形ꎬ适用于弹性和非弹性介质ꎮ随着理论的应用ꎬＳＵＯＺＧ讨论了弹性介质的材料定律ꎬ并研究了叠加在给定场上的无穷小场ꎬ包括振动ꎬ波传播和分岔等现象[６]ꎮ在共引网络中中心度位居第二的是ＺＨＡＯＸＨ等人２０１０年在«ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ»(影响因子:７.３２９)上的发表的«大变形驱动的电介质弹性体理论»(Ｔｈｅｏｒｙｏｆｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｅｌａｓｔｏｍｅｒｓｃａｐａｂｌｅｏｆｇｉａｎｔｄｅ￣ｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆａｃｔｕａｔｉｏｎ)ꎮ该文在ＳＣＩ核心数据库中检索ꎬ被引频次达到１５５次(２０１７－０８－３１)ꎮ在网络中ꎬ其中心度为０.１０ꎮＺＨＡＯＸＨ主要对介电弹性体领域的电介质材料进行研究ꎮＺＨＡＯＸＨ对两种不稳定模式的相互作用进行了分析ꎬ发现该介质弹性体在㊀小拉伸下是连续性的ꎬ但是在临界状态呈现断崖现象ꎬ并用互穿网络实验和具有膨胀弹性体的模型验证了该理论ꎮ根据该理论预测ꎬ对于具有所需形式的应力拉伸曲线的弹性体ꎬ电压可引起巨变[７]ꎮ共引网络中心最后一个关键节点文献是ＣＡＲＰＩＦ等人２００５年在«ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ＆Ｅ￣ｌｅｃｔｒｉｃａｌＩｎｓｕｌａｔｉｏｎ»(影响因子:２.１１５)发表的«用二氧化钛粉体分散改善有机硅介电弹性体的机电驱动性能»(Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｃｔｕａｔｉｎｇｐｅｒ￣ｆｏｒｍａｎｃｅｓｏｆａｓｉｌｉｃｏｎｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｅｌａｓｔｏｍｅｒｂｙｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｏｆｔｉｔａｎｉｕｍｄｉｏｘｉｄｅｐｏｗｄｅｒ)ꎮＣＡＲＰＩＦ主要对介电弹性体领域的电介质材料进行研究ꎮＣＡＲＰＩＦ研究了通过将高介电陶瓷包裹体嵌入在橡胶基质介质中来提高电介质弹性体驱动的机电材料响应ꎮ所研究的聚合物/陶瓷复合材料ꎬ与纯硅相比ꎬ弹性模量降低ꎬ以及介电常数增加ꎮ测量的低频介电常数与几种经典的介电混频规则一致ꎮ将这种材料用作平面致动器的弹性电介质ꎬ可以减小驱动电场ꎬ从而获得了在１０Ｖ/ｕｍ下的１１％的横向应变和９Ｖ/ｕｍ的１６.５ｋＰａ的横向应力ꎬ分别比用于类似电刺激的纯聚合物基质产生的相应值高出４~８倍[８]ꎮ３.２㊀介电弹性体研究前沿探测研究前沿是根据题目㊁摘要㊁描述词和文献中突现专业词而确定的ꎮ在ＣｉｔｅＳｐａｃｅ可视化软件中ꎬ笔者应用前文数据ꎬ选择 ｋｅｙｗｏｒｄ 作为节点ꎬ节点类型选择突变专业术语ꎬ设置适当的阈值ꎬ运行ＣｉｔｅＳｐａｃｅ软件[９]ꎮ关键词突变的知识图谱如图３所示ꎮ图３㊀介电弹性体领域研究前沿关键词突变的知识图谱㊀㊀图３将该领域知识研究前沿从左到右㊁自上而下地展示出来ꎮ通过各时间段之间的连线关系ꎬ可以看出各时间段之间的传承关系ꎬ从２００８年时区中的节点开始ꎬ该领域研究文献和研究热点的不断增长ꎮ主要突变关键词分布统计表如表２所示ꎮ本研究利用ＣｉｔｅＳｐａｃｅ中词频的变动趋势ꎬ来确定 介电弹性体 领域的研究前沿[１０]ꎮ由图３和表２可以看出ꎬ中心性在０.０１及以上的突变关键词可以归纳为以下几个方面:(１)从组成来看ꎬ弹性体(ｅｌａｓｔｏｍｅｒ)㊁纳米粒子(ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ)㊁丙烯酸弹性体(ａｃｒｙｌｉｃｅｌａｓｔｏｍｅｒ)㊁流体(ｆｌｕｉｄ)㊁液晶(ｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌ)㊁电介质(ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ)㊁钛酸钡(ｂａｒｉｕｍｔｉｔａｎａｔｅ)㊁凝胶(ｇｅｌ)㊁天然橡胶(ｎａｔｕｒａｌｒｕｂｂｅｒ)将成为电活性聚合物(ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅｐｏｌｙｍｅｒ(ＥＡＰ))和介电弹性体(ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｅｌａｓｔｏｍｅｒ(ＤＥ))材料领域的研究前沿ꎬ通过对介电弹性体材料领域的研究ꎬ来寻找出适合研制稳定㊁高性能介电弹性体基础材料ꎬ为运用于实践生产具有指导意义ꎻ２９５ 机㊀㊀电㊀㊀工㊀㊀程第３５卷表２㊀主要突变关键词分布统计表序号关键词引用次数中心度突现度序号关键词引用次数中心度突现度１ｅｌａｓｔｏｍｅｒ２８１０.０３７.４７１５ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ２５０.０３３.０５２ｅｌｅｃｔｒｏｓｔｒｉｃｔｉｏｎ８００.０３４.８０１６ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ４５０.０２３.０３３ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ２５０.０１４.１７１７ｍｏｌｅｃｕｌａｒｄｙｎａｍｉｃｓ７０.０１２.９７４ｌａｒｇｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ１００.０３３.９６１８ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ１１０.０１２.９１５ａｃｒｙｌｉｃｅｌａｓｔｏｍｅｒ１８０.０１３.５７１９ｂａｒｉｕｍｔｉｔａｎａｔｅ１１０.０１２.９１６ｈｉｇｈｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ１４０.０１３.５０２０ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｓｔａｎｔ１８０.０２２.８９７ａｃｔｕａｔｅｄｓｔｒａｉｎ１６０.０１３.４８２１ｇｅｌ１８０.０４２.８５８ｆｌｕｉｄ１００.０２３.４２２２ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅｐｏｌｙｍｅｒ(ＥＡＰ)５０.０１２.８４９ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ１５０.０４３.３０２３ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎ７０.０１２.８２１０ｍｏｄｅｌ６１０.０２３.２９２４ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｅｌａｓｔｏｍｅｒ(ＤＥ)８０.０１２.８１１１ａｒｒａｙ１５０.０１３.０９２５ｓｙｓｔｅｍ１４０.０３２.８０１２ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ２５０.０４３.０９２６ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｒｅｌａｘａｔｉｏｎ２１０.０２２.６８１３ｈｉｇｈｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｓｔａｎｔ２００.０４３.０９２７ｎａｔｕｒａｌｒｕｂｂｅｒ３９０.０３２.５０１４ｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌ７０.０１３.０６２８ｄｉｓｐｌａｙ６０.０１２.４１㊀㊀(２)从性能来看ꎬ电致伸缩(ｅｌｅｃｔｒｏｓｔｒｉｃｔｉｏｎ)㊁大变形(ｌａｒｇｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ)㊁高介电常数(ｈｉｇｈｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ㊁ｈｉｇｈｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｓｔａｎｔ㊁ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｓｔａｎｔ)㊁致动应变(ａｃｔｕａｔｅｄｓｔｒａｉｎ)㊁介电光谱(ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ)㊁电导率(ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ)㊁介电弛豫(ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｒｅｌａｘａｔｉｏｎ)将成为介电弹性体性能领域的研究前沿ꎬ通过对介电弹性体性能领域的研究ꎬ来确定介电弹性体的性能ꎬ如变形能力㊁响应速度㊁质量㊁能量密度等ꎬ进而运用于人工肌肉㊁能量回收器㊁柔性机器人㊁自适应光学仪器等方面ꎻ(３)从方法来看ꎬ模型(ｍｏｄｅｌ)㊁排列(ａｒｒａｙ)㊁加强(ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ)㊁分子动力学(ｍｏｌｅｃｕｌａｒｄｙｎａｍｉｃｓ)㊁改善(ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ)㊁功能化(ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎ)㊁系统(ｓｙｓ￣ｔｅｍ)㊁展示(ｄｉｓｐｌａｙ)将成为介电弹性体研究方法的研究前沿ꎬ通过对介电弹性体研究方法的研究ꎬ来改善介电弹性体制备工艺㊁机电能量转换效率㊁失效模式等ꎬ进而使介电弹性体能在发电方向以及驱动方向的广泛运用ꎮ４㊀结束语本研究对ＷｅｂｏｆＳｃｉｅｎｃｅ核心数据库中的文献数据进行了计量分析ꎬ利用ＣｉｔｅＳｐａｃｅ信息可视化软件ꎬ对近十年来介电弹性体领域研究的文献进行了可视化分析ꎮ经过上述分析研究ꎬ得出以下结论:(１)介电弹性体材料领域的发文数量随时间呈明显的增长趋势ꎬ说明该领域正处于大发展时期ꎬ从发表论文的机构分布来看ꎬ中国和美国在该领域的科研投入较多ꎻ(２)利用信息可视化工具ꎬ绘制出介电弹性体领域共引￣突现术语可视化分析网络知识图谱ꎬ得到３篇有显著影响力的关键节点文献ꎻ㊀㊀(３)通过检测词频变动趋势显著的主题词揭示了介电弹性体材料在组成㊁性能和方法的研究前沿ꎮ参考文献(Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ):[１]㊀ＺＨＡＮＧＲꎬＬＯＣＨＭＡＴＴＥＲＰꎬＫＯＶＡＣＳＧꎬｅｔａｌ.Ｄｉｅｌｅｃ￣ｔｒｉｃｅｌａｓｔｏｍｅｒｓａｓｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ[Ｍ].Ａｍ￣ｓｔｅｒｄａｍ:ＥｌｓｅｖｉｅｒＬｔｄ.ꎬ２００８.[２]㊀方㊀康ꎬ金肖玲ꎬ王㊀永ꎬ等.介电弹性球膜的动力稳定性分析[Ｊ].固体力学学报ꎬ２０１７ꎬ３８(２):１４６￣１５６.[３]㊀金丽丽ꎬ鄂世举ꎬ曹建波ꎬ等.介电弹性体材料研究现状综述[Ｊ].机电工程ꎬ２０１６ꎬ３３(１):１２￣１７.[４]㊀ＣＨＥＮＣ.Ｍｅａｓｕｒｉｎｇｔｈｅｍｏｖｅｍｅｎｔｏｆａｒｅｓｅａｒｃｈｐａｒａｄｉｇｍ[Ｊ].ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＳＰＩＥ￣ＴｈｅＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｏｃｉｅｔｙｆｏｒＯｐｔｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２００５(５６６９):６３￣７６.[５]㊀陈㊀悦ꎬ陈超美ꎬ刘则渊ꎬ等.ＣｉｔｅＳｐａｃｅ知识图谱的方法论功能[Ｊ].科学学研究ꎬ２０１５ꎬ３３(２):２４２￣２５３.[６]㊀ＳＵＯＺꎬＺＨＡＯＸꎬＧＲＥＥＮＥＷＨ.Ａｎｏｎｌｉｎｅａｒｆｉｅｌｄｔｈｅｏｒｙｏｆｄｅｆｏｒｍａｂｌｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＭｅｃｈａｎｉｃｓ＆ＰｈｙｓｉｃｓｏｆＳｏｌｉｄｓꎬ２００８ꎬ５６(２):４６７￣４８６.[７]㊀ＺＨＡＯＸꎬＳＵＯＺ.Ｔｈｅｏｒｙｏｆｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｅｌａｓｔｏｍｅｒｓｃａｐａｂｌｅｏｆｇｉａｎｔｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆａｃｔｕａｔｉｏｎ[Ｊ].ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔ￣ｔｅｒｓꎬ２０１０ꎬ１０４(１７):１７８３０２.[８]㊀ＣＡＲＰＩＦꎬＲＯＳＳＩＤＤ.Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｃｔｕａｔｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｏｆａｓｉｌｉｃｏｎｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｅｌａｓｔｏｍｅｒｂｙｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｏｆｔｉｔａｎｉｕｍｄｉｏｘｉｄｅｐｏｗｄｅｒ[Ｊ].Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ＆Ｅ￣ｌｅｃｔｒｉｃａｌＩｎｓｕｌａｔｉｏｎＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎꎬ２００５ꎬ１２(４):８３５￣８４３.[９]㊀郑新艳ꎬ邵海英.ＷｅｂｏｆＳｃｉｅｎｃｅ平台下蚯蚓研究文献的调研分析[Ｊ].农业图书情报学刊ꎬ２０１７ꎬ２９(８):７２￣７５.[１０]㊀郭全珍ꎬ吕建国.纳米功能材料领域研究前沿和发展趋势的可视化分析[Ｊ].情报杂志ꎬ２０１４(３):４９￣５３.[编辑:周昱晨]本文引用格式:鄂世举ꎬ包辉煌ꎬ曹建波ꎬ等.介电弹性体研究前沿及其演化的可视化分析[Ｊ].机电工程ꎬ２０１８ꎬ３５(６):５９０－５９３.ＥＳｈｉ￣ｊｕꎬＢＡＯＨｕｉ￣ｈｕａｎｇꎬＣＡＯＪｉａｎ￣ｂｏꎬｅｔａｌ.Ｖｉｓｕａｌｉｚｉｎｇｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｆｒｏｎｔｓａｎｄｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｅｌａｓｔｏｍｅｒｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎ￣ｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１８ꎬ３５(６):５９０－５９３.«机电工程»杂志:ｈｔｔｐ://ｗｗｗ.ｍｅｅｍ.ｃｏｍ.ｃｎ３９５ 第６期鄂世举ꎬ等:介电弹性体研究前沿及其演化的可视化分析。
一种基于介电弹性体驱动的软体机器人设计方法
定的应变,需要相对更高的驱动电压,也会造成其能量密度较低.
本文设计的软体机器人选用硅酮弹性体以满足快速响应、大形变和较高输出力的要求.另外,导电填充
物硅酮基弹性体的掺入,使 DE 具有更高的机电转化率和稳定性 [１７ １８].初始方案采用市售 的 单 组 分 硅 酮 材
示时间,“
T ”为 一 个 步 态 周 期,纵 坐 标 表 示 在 某 一 时 刻 各
DEA 驱动状态.
图 ３ 行走的步态时序图
行走的步态时序如表 １ 所示.表 １ 中,设定行走方向为正向向前,其中,“＋ ”表 示 驱 动,“－ ”表 示 释 放,
“
T ”表示一个步态周期.
步态周期
表 １ 行走的步态时序
料,或者是多组分硅酮复合材料.
应用广泛的柔性电极有碳基柔性电极,碳纳米管柔性电极,金属柔性电极,离子水凝胶电极等 [１９].科研
人员也在不断开发新的电极材料,以充分发挥软体机器人的应用潜力.柔性电极要求具有较低的模量,能随
弹性体而形变,且在大形变条件下保持较好的导电性能.碳基柔性电极价格 低 廉、易 于 获 取,目 前 应 用 最 为
求,并根据前人经验,最终选定 DE 薄膜的 厚 度 为 ５０ μm[７,１５]. 结 合 机 器 人 外 形,设 计 DE 薄 膜 的 长 度 为 ３０
mm,宽度有两个规格,一个是应用于腿部,规格为 １３ mm,另一个是应用于机身,规格为 ８ mm.
由于超薄的弹性体膜容易发生失效,导致整个驱动器无法工作,而叠层结构的应用可以很好的抑制失效
７]设 计 的 DE 薄 膜 厚 度 只 有 ６ μm,其 开 发 的 软
介电频谱实验报告
一、实验目的1. 了解介电材料的介电特性随频率变化的关系。
2. 掌握介电频谱测试的基本原理和方法。
3. 分析不同频率下介电材料的介电常数和损耗角正切的变化规律。
4. 认识到介电材料在电子、通信、电力等领域的应用。
二、实验原理介电材料在电场作用下，其内部的电荷分布会发生改变，从而产生介电极化。
介电材料在交变电场作用下，其介电常数和损耗角正切会随频率的变化而变化。
本实验采用交流阻抗谱仪测量介电材料在特定频率范围内的介电常数和损耗角正切。
三、实验仪器与材料1. 交流阻抗谱仪2. 介电材料样品（如聚乙烯、聚丙烯等）3. 样品夹具4. 精密电阻、电容、电感5. 电源6. 计算机及数据采集软件四、实验步骤1. 将介电材料样品放置在样品夹具中，确保样品与电极接触良好。
2. 将交流阻抗谱仪连接至计算机，并打开数据采集软件。
3. 设置实验参数：频率范围、步长、测量时间等。
4. 启动交流阻抗谱仪，开始测试介电材料样品的介电常数和损耗角正切。
5. 测试过程中，观察数据采集软件显示的介电常数和损耗角正切随频率变化的关系。
6. 记录实验数据，并进行处理和分析。
五、实验结果与分析1. 实验结果如图1所示，其中横坐标为频率，纵坐标为介电常数。
从图中可以看出，介电材料的介电常数随频率的增加而增大，在低频段变化较为明显，在高频段变化趋于平缓。
2. 实验结果如图2所示，其中横坐标为频率，纵坐标为损耗角正切。
从图中可以看出，介电材料的损耗角正切随频率的增加而减小，在低频段变化较为明显，在高频段变化趋于平缓。
3. 分析原因：介电材料在低频段内，极化过程较为复杂，导致介电常数较大；在高频段内，极化过程简化，导致介电常数较小。
损耗角正切的变化与介电材料的极化损耗有关，低频段内极化损耗较大，导致损耗角正切较大；高频段内极化损耗较小，导致损耗角正切较小。
六、实验结论1. 介电材料的介电常数和损耗角正切随频率的变化而变化，低频段内变化较为明显，高频段内变化趋于平缓。
基于介电弹性体面积应变特性的实验研究
基于介电弹性体面积应变特性的实验研究作者：胡意立，沈燕青，欧阳杰来源：《科技创新导报》 2011年第10期胡意立沈燕青欧阳杰(浙江师范大学工学院浙江金华 321004)摘要:电场活化聚合物在直流电场作用下会产生大幅度的应变,通过本次实验研究影响介电弹性体材料激活区(电极涂层区域)面积应变的主要因素,寻找激活区面积应变和这些影响因素之间的关系,进而根据它们之间的关系确定能获得所需激活区面积应变的合适条件。
文中对材料分别从单轴预拉伸、均匀双轴预拉伸、非均匀双轴预拉伸等方面作实验分析。
关键词:介电弹性体预拉伸电极材料面积应变中图分类号:TM282 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)04(a)-0044-021 引言电活性聚合物的种类包括:导电橡胶、离子交换膜金属复合材料、凝胶体、纳米管及介电弹性体等。
其中介电弹性体被认为是最具前景的一类材料,其中以丙烯酸弹性体和硅树脂弹性体最具有代表性。
介电弹性体既可正向使用,其特性柔软、质量轻,被称为人造肌肉,在未来新一代柔性致动器、传感器领域极赋应用潜力,例如可用于微小型机械、机器人,尤其是仿生机器人的柔性电致动。
介电弹性体材料两个相对表面覆盖上柔性电极,当电极上施加电压时,弹性体将发生厚度和面积的变化:厚度减小而面积扩大。
其原理如下:当电极上施加电压时,上下两个电极上的异性电荷相互吸引而每个电极上的同性电荷相互排斥,当这个力足够大时就能观察到介电膜明显的运动。
当然,覆盖在两个面上的电极必须是柔性的。
弹性体材料膜型驱动器就是依据这种原理制成的。
目前,对介电弹性体材料的研究主要集中在驱动领域,如美国的斯坦福研究所、伊利诺斯州大学,欧洲的爱尔兰、英国、意大利等国家及日本的几个公司。
其中,美国的AMI(Artificial Muscle Inc.)公司专门开发基于电活性聚合物的新型技术平台,目前服务于基于该材料的包括工业、医疗、消费、汽车及航天等领域的大约40亿美元的市场,但是我国在该领域开展的研究很少。
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基于介电弹性体面积应变特性的实验研究
摘要:电场活化聚合物在直流电场作用下会产生大幅度的应变,通过本次实验研究影响介电弹性体材料激活区(电极涂层区域)面积应变的主要因素,寻找激活区面积应变和这些影响因素之间的关系,进而根据它们之间的关系确定能获得所需激活区面积应变的合适条件。
文中对材料分别从单轴预拉伸、均匀双轴预拉伸、非均匀双轴预拉伸等方面作实验分析。
关键词:介电弹性体预拉伸电极材料面积应变
1 引言
电活性聚合物的种类包括:导电橡胶、离子交换膜金属复合材料、凝胶体、纳米管及介电弹性体等。
其中介电弹性体被认为是最具前景的一类材料,其中以丙烯酸弹性体和硅树脂弹性体最具有代表性。
介电弹性体既可正向使用,其特性柔软、质量轻,被称为人造肌肉,在未来新一代柔性致动器、传感器领域极赋应用潜力,例如可用于微小型机械、机器人,尤其是仿生机器人的柔性电致动。
介电弹性体材料两个相对表面覆盖上柔性电极,当电极上施加电压时,弹性体将发生厚度和面积的变化:厚度减小而面积扩大。
其原理如下:当电极上施加电压时,上下两个电极上的异性电荷相互吸引而每个电极上的同性电荷相互排斥,当这个力足够大时就能观察到介电膜明显的运动。
当然,覆盖在两个面上的电极必须是柔性的。
弹性体材
料膜型驱动器就是依据这种原理制成的。
目前,对介电弹性体材料的研究主要集中在驱动领域,如美国的斯坦福研究所、伊利诺斯州大学,欧洲的爱尔兰、英国、意大利等国家及日本的几个公司。
其中,美国的AMI(Artificial Muscle Inc.)公司专门开发基于电活性聚合物的新型技术平台,目前服务于基于该材料的包括工业、医疗、消费、汽车及航天等领域的大约40亿美元的市场,但是我国在该领域开展的研究很少。
因此,该项研究具有切实的意义。
本文通过实验研究影响介电弹性体材料激活区(电极涂层区域)面积应变的主要因素,寻找这些主要影响因素和材料激活区面积应变之间的关系,目的是更深地了解弹性体材料的电致特性规律,为其以后在器件设计及实际应用方面奠定基础。
2 实验装置
2.1 实验材料
丙烯酸聚合物,石墨粉及相关材料。
2.2 实验设备及仪器
WWL-LSG31精密线性高压大功率直流稳压稳流电源、CCD激光位移传感器LK-G系列,万用表,保护电阻,引出电极(铜片),绝缘胶布,
绝缘塑料板(中心开圆形窗口半径分别为30mm和40mm),绝缘底座,数码相机等等一系列实验相关配套器材。
2.3 实验装置构成
将丙烯酸聚合物薄膜预拉伸一定比例后粘在绝缘塑料板上,再将准备好的圆形塑料电极模板分别粘在预拉伸好的薄膜正反两表面,然后将中央圆形部分涂上电极材料,再用条状铜片作为引出电极分别粘在两表面,最后将绝缘塑料板固定在绝缘底座上,并与高压直流电源相连。
在实验中将数码相机固定在三角架上,用于记录实验现象,用基于B样条小波的图像边缘提取技术对采集的图像进行处理,然后再利用CAD软件本身自带的面积计算功能计算出激活区域在变形前后的面积,从而再比较精确的计算出面积应变。
实验过程中将电压慢慢加至薄膜崩溃或者出现明显皱褶为止,用摄相机记录下整个变化过程,便于以后处理数据。
如图1给出了薄膜通电前后的变形图。
3 实验结果与分析
3.1 不同预拉伸与面积应变的关系
预拉伸分单轴预拉伸和双轴预拉伸,单轴预拉伸指在一条直线上将薄膜进行一定比例的预拉伸,比如100%的单轴预拉伸是指将薄膜
在某一方向上的长度拉伸到原来的2倍。
而双轴预拉伸指在互相垂直的两条直线方向上将薄膜进行一定比例的预拉伸。
3.1.1 单轴预拉伸对面积应变的影响
单轴预拉伸产生的面积应变比较小,但在一定预拉伸范围内,总体上的趋势是面积应变随着预拉伸量的增大先是增大,随后会减小,说明激活区的面积应变在变化过程中有拐点,如图2所示。
而且激活区域的形状由正圆慢慢变成椭圆形,椭圆的长轴和预拉伸的方向垂直,如图3(a)、(b)所示。
即激活区在没有预拉伸的方向上比预拉伸方向上变化更大一些,这是由于在没有预拉伸方向上比预拉伸方向上激活区的应变潜力更大一些(弹性体薄膜在保持超弹性的基础上其总应变是有限度的),所以其在没有预应变的方向上变化更大一些。
当外加电压增加到一定值时激活区还会出现规则的皱褶,皱褶的纹理走向和预拉伸的方向一致,如图3(c)所示。
这是由于薄膜在预拉伸过程中本身出现的拉伸不均匀造成的,当薄膜的内应力与外加电压产生的麦克斯韦力瞬间不平衡时(瞬间不平衡,主应力变化跟不上麦克斯韦压力的变化),扩大了这种拉伸不均匀,从而使得激活区出现了明显的皱褶。
3.1.2 双轴预拉伸对面积应变的影响
双轴预拉伸又分为均匀双轴预拉伸和非均匀双轴预拉伸。
均匀双轴预拉伸指在两个方向上的预拉伸量相同,反之,非均匀预拉伸指在两个方向上的预拉伸量不同。
首先,考虑均匀预拉伸对激活区面积应变的影响。
激活区面积应变的大小是随着预拉伸的增大还是先增大,后来又慢慢减小,即在变化过程中存在拐点,如图4所示。
并且根据实验数据可以确定激活区的面积应变出现拐点的位置在预拉伸为200%的时候。
激活区的面积应变之所以会出现拐点是由于薄膜本身的应变是有限的,当其应变超过其极限值时薄膜就会破裂,所以当其预应变达到某一值时必然会出现最大面积应变,即会出现拐点。
其次,非均匀预拉伸对激活区面积应变的影响类似于单轴预拉伸对激活区面积应变的影响。
即在一定预拉伸范围内,总体上的趋势还是面积应变随着预拉伸量的增大先是增大,随后会减小,如图5所示。
而且激活区域的形状呈椭圆形,椭圆的长轴和预拉伸量小的方向一致,即激活区在预拉伸量小的方向上比预拉伸量大的方向上变化更大一些,这是由于在预拉伸量小的方向上预拉伸量大的方向上激活区的应变潜力更大一些。
3.2 外加电压与面积应变的关系
外加电压对激活区面积的应变影响是很大的,总体是激活区的面积应变随着外加电压的增大而增大,如图6所示是薄膜在预拉伸为一定值时其激活区面积应变随着外加电压的变化情况。
从图中可以看出激活区面积应变的非线性变化随着外加电压的增大越来越明显。
出现这种现象的原因是薄膜不是完全理想的弹性体,并非理想的不可压缩,而且随着应变的增大薄膜的各向异性也越明显,导致麦克斯韦力与薄
膜内应力之间的不平衡,使得激活区面积应变产生了明显的非线性变化,最后还会导致薄膜表面出现皱褶甚至破裂。
4 结论
实验结果显示:不论单轴预拉伸还是双轴的均匀与非均匀预拉伸,对激活区面积应变影响的总趋势都是随着拉伸量的增大先增大后减小,且激活区面积应变随着外加电压的增加而增大。
不论薄膜是单轴预拉伸还是双轴的均匀与非均匀预拉伸,对激活区面积应变的影响的总趋势都是类似的,随着拉伸量的增大先增大后减小,即存在拐点,进而说明薄膜在外加电压的作用下要产生最大的应变需要合适的预拉伸,而不是预拉伸越大越好。
通过分析实验结果发现,寻找合适的条件对激活区产生所需的面积应变很重要。
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