CN107276452A - 基于介电型电活性聚合物的星形负泊松比结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于介电型电活性聚合物的星形负泊松比结构，由星形负泊松比元胞阵列，该元胞分别由四角星形骨骼101和四条肌腱（102‑105）构成。肌腱由介电型电活性聚合物制成，为一夹芯板结构，其中夹芯材料为介电弹性体，两侧为柔性电极，骨骼的杨氏模量比肌腱材料大。肌腱两侧的柔性电极分别与高压直流电源106‑109的正负极连接，其电压以及通路开路状态可调。将星形负泊松比元胞进行阵列，可构成星形负泊松比结构。由于介电型电活性聚合物的机械状态和静电状态是相互耦合的，因此能实现机械能与电能之间的相互转换，实现星形负泊松比结构的结构实时可变、致动、能量回收和传感等功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种星形负泊松比结构，尤其涉及一种基于介电型电活性聚合物的星形负泊松比结构。
背景技术
负泊松比(Negative Poisson’s Ratio,NPR)结构是一类具有独特力学性能的新型结构，在受拉时会发生侧向膨胀而不是侧向收缩，因此材料能够更有效地承受载荷，结构的刚度也会随着载荷的增加而非线性增大，因此负泊松比结构能够更加充分地利用材料的力学性能。负泊松比结构的力学性能与所使用材料的力学特性和结构参数密切相关，经过一定的材料和参数设计，负泊松比结构能够同时具有优异的吸能效率和阻尼性能，在一定程度上可以同时实现弹性元件和减振元件的作用。然而当材料与结构参数确定时，负泊松比结构的刚度、阻尼等基本力学性能也随之确定，无法同时满足不同载荷和激励作用下的性能最优。例如在应用于吸能与减振结构时，若施加的载荷较小，负泊松比结构的变形较小无法达到较大的工作行程，使得峰值力无法进一步降低；而当载荷较大时，负泊松比结构的变形很大并且超过了最大行程，则结构容易发生失效。因此负泊松比结构的吸能和减振性能还存在着进一步提高的空间。而如果负泊松比结构的力学性能实时可变，则在不同载荷工况下，都能够完全利用结构的最大行程，在保证吸能效率的情况下能够最大程度降低峰值力，因此设计一种力学性能实时可变的负泊松比结构具有重大意义。
电活性聚合物是一类在电场和电压激励下可以产生大幅度位移和载荷变化的新型柔性功能材料，此外，其位移和载荷情况的改变也会引起电场和电压的显著变化，因此电活性聚合物的载荷、位移、电场和电压状态是相互耦合的，其中任一状态的改变将会引起其他某一个参数状态或某几个参数状态的变化。电活性聚合物主要可分为离子型和电场型两大类：离子型电活性聚合物是以化学能作为过渡实现电能与机械能之间的转化，其优点是驱动电压低和变形大，但响应较慢且能量密度低，因此难以适用于动态工况下的吸能部件。电场型电活性聚合物可进一步分为压电型和介电型：压电型电活性聚合物在电场激励下材料本身会产生电致应力，直接实现电能与机械能之间的转换，但变形较小且效率较低；介电型电活性聚合物在电场激励下通过两侧电极产生的静电库仑力实现能量转换，其特点是响应快、变形大(最大面积应变可达380％)、能量密度较大且能量转换效率很高(最高达90％)，基于上述特点，介电型电活性聚合物通常也被成为人造肌肉。介电型电活性聚合物的另一个优点是成本便宜，因此有望得到广泛的应用。介电型电活性聚合物主要承受拉伸载荷而在厚度方向的变化很小，因此在应用为致动器、传感器时通常需要一定的支撑结构将其拉伸变形转变为沿某一条轴线的运动。将介电型电活性聚合物应用于负泊松比结构中则是一种全新的思路。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于介电型电活性聚合物的星形负泊松比结构，通过介电型电活性聚合物的应用实现星形负泊松比结构可变，使星形负泊松比结构在不同的电压激励下具有不同力学性能，并且能够同时实现弹性元件、减振元件、传感器元件、致动器元件和能量回收元件的集成化、电子化、信息化和智能化。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
基于介电型电活性聚合物的星形负泊松比结构，由星形负泊松比元胞阵列而成；
所述星形负泊松比元胞包含骨骼和四条肌腱，所述骨骼呈四角星形，所述四条肌腱均为直线段，四条肌腱的一端和所述骨骼外表面的四个内凹角一一对应固连、另一端均朝外伸展；
所述骨骼的杨氏模量大于肌腱的杨氏模量；
所述四条肌腱均采用介电型电活性聚合物，其两侧均接外部电压。
作为本发明基于介电型电活性聚合物的星形负泊松比结构进一步的优化方案，所述骨骼采用钢材、合金材料、高分子聚合物、高强度纤维材料中的任意一种制成。
作为本发明基于介电型电活性聚合物的星形负泊松比结构进一步的优化方案，所述四条肌腱均呈夹芯板结构，夹芯材料为介电弹性体，夹芯材料两侧为柔性电极，且两侧柔性电极的杨氏模量小于介电弹性体的杨氏模量。
作为本发明基于介电型电活性聚合物的星形负泊松比结构进一步的优化方案，所述夹芯材料采用聚氨酯弹性体、硅胶或丙烯酸酯中的任意一种，两侧柔性电极采用电极碳粉、银膏、金属薄膜、碳脂、碳纳米管、水凝胶电解质、石墨烯、导电弹性体中的任意一种。
作为本发明基于介电型电活性聚合物的星形负泊松比结构进一步的优化方案，所述四条肌腱和所述骨骼外表面的四个内凹角一一对应通过胶粘的方式进行连接。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
将介电型电活性聚合物应用于负泊松比结构中，一方面，由于介电型电活性聚合物在电场或电压激励下会产生一定的位移或载荷变化，因此：
(1)当负泊松比结构作为被动部件时，位移或载荷的变化会显著影响负泊松比结构的结构参数，星形负泊松比结构的力学性能可以根据载荷和激励情况通过不同的电场和电压激励进行一定的主动控制，从而显著提高负泊松比结构在不同的载荷和激励作用下的吸能、减振性能；
(2)当负泊松比结构作为主动部件时，位移或载荷的变化能够作为机械系统的能量输出，从而起到致动器的作用。
另一方面，由于介电型电活性聚合物在位移或载荷作用下会产生一定的电场或电压变化，因此：
(1)当负泊松比结构作为被动部件时，可以通过测量介电型电活性聚合物两侧电极的电场和电压变化，计算出载荷情况，因此星形负泊松比结构本身能够作为传感器元件；
(2)当负泊松比结构作为主动部件时，通过对电场和电压变化的收集可以实现机械能量回收的功能，对于降低能源损耗、实现节能环保等均具有积极的意义。
元胞中的骨骼为介电型电活性聚合物提供了一个支撑结构，通过元胞往不同方向的复制，能够使得一个元胞的机电响应可以进行周期性的叠加，从而能满足更大尺度的结构要求，并且提高机电转换效率。
在单变量的输入下，星形负泊松比结构主要具有机械变形、充电、机械驱动和放电等四个相互独立的机电状态，能够分别实现吸能减振和传感、变刚度变阻尼、驱动和能量回收等功能，这四个状态构成一个机电循环。在某一个特定的机械和电致变形过程中，星形负泊松比结构能够同时实现上述所有功能，并实现多功能的耦合。
附图说明
图1是本发明中星形负泊松比元胞的二维截面示意图；
图2是本发明中星形负泊松比元胞的二维截面的结构参数示意图；
图3是本发明中星形负泊松比元胞的一种三维示意图；
图4(A)、图4(B)分别是星形负泊松比元胞中的介电型电活性聚合物肌腱材料的结构示意图和机电变形示意图；
图5是本发明星形负泊松比结构的一种二维截面以及变形示意图；
图6是本发明星形负泊松比结构的一种三维示意图；
图7是星形负泊松比结构中机械力与电场力的关系；
图8是星形负泊松比结构在用作能量回收元件的典型机电循环的电压和电荷变化图；
图9是星形负泊松比结构在用作能量回收元件的典型机电循环的能量变化图。
具体实施方式
本发明将介电型电活性聚合物应用于星形负泊松比结构中的肌腱部分，能够实现星形负泊松比结构的实时可变，使其在不同的电压或电场激励下具有不同的力学性能，并且能够同时实现弹性元件、减振元件、传感器元件、致动器元件和能量回收元件的集成化、电子化、信息化和智能化。
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的说明。
本发明公开了一种基于介电型电活性聚合物的星形负泊松比结构，由星形负泊松比元胞阵列而成；
所述星形负泊松比元胞包含骨骼和四条肌腱，所述骨骼呈四角星形，所述四条肌腱均为直线段，四条肌腱的一端和所述骨骼外表面的四个内凹角一一对应固连、另一端均朝外伸展；
所述骨骼的杨氏模量大于肌腱的杨氏模量；
所述四条肌腱均采用介电型电活性聚合物，其两侧均接外部电压。
图1展示了星形负泊松比元胞的二维截面示意图，骨骼101呈四角星形，四条肌腱为四个直线段区域102-105。在星形负泊松比元胞内部，肌腱与骨骼分别在四角星外部四个凹角部位连接，其中102段与左侧凹角连接，103段与上侧凹角连接，104段与右侧凹角连接，105段与下侧凹角连接，连接方式可以采用胶粘的方式。
星形负泊松比元胞骨骼中的任一夹角部位可采用倒角、倒圆角以及其他过渡方式直接连接，也可以采用铰链的方式进行连接。
星形负泊松比元胞中肌腱部分介电型电活性聚合物的两侧表面的柔性电极分别与高压直流电源106-109的正负极连接，根据具体需要，电源的电压可进行调整，并且可接通或断开该电路。
图2展示了星形负泊松比元胞的二维截面的结构参数示意图，其中：骨骼的厚度为tα，四条肌腱的厚度为tβ；骨骼的凹角为α，由几何关系知90°＜α＜180°；四角星凸角处离中心点的距离为r；元胞的有效高度为hc，为肌腱103段顶端至肌腱105段底端之间的距离，其表示每一个元胞为整体结构提供的高度；元胞的有效宽度为wc，为肌腱102段左端至肌腱104段右端之间的距离，其表示每一个元胞为整体结构提供的宽度；高压直流电源的电压分别为Φ1、Φ2、Φ3和Φ4。
星形负泊松比元胞中的骨骼部分由于起到结构支撑作用，因此其杨氏模量比肌腱的杨氏模量大，可采用各类钢材、合金材料、高分子聚合物、各类高强度纤维材料等。
图3展示了星形负泊松比元胞的一种三维示意图，其为星形负泊松比元胞的二维截面沿z轴方向拉伸而成，其沿z轴方向的深度为L。图中301、302和303构成了肌腱层，其中301和303分别为介电型电活性聚合物上下表面的柔性电极，302为介电型电活性聚合物中的介电弹性体,带有开关的直流电源Φ1两极分别连接在301和303上。
星形负泊松比元胞的肌腱部分的介电型电活性聚合物为一夹芯板结构，其中夹芯材料为介电弹性体，两侧为柔性电极，其中柔性电极的杨氏模量比介电弹性体的杨氏模量小得多，在满足上述条件下，介电弹性体和柔性电极的材料可任意选择。
图4(A)展示了介电型电活性聚合物示意图，为一夹芯板结构，其中夹芯材料为介电弹性体，可采用聚氨酯弹性体、硅胶、丙烯酸酯等材料。上下两侧为柔性电极，可采用电极碳粉、银膏、金属薄膜、碳脂、碳纳米管、水凝胶电解质、石墨烯和导电弹性体等材料。介电型电活性聚合物在初始状态，长L1，宽L2，厚T。介电型电活性聚合物材料中柔性电极的杨氏模量应当比介电弹性体小得多，以减小其对介电型电活性聚合物力学性能的影响。
图4(B)展示了介电型电活性聚合物的机电变形示意图，上下两侧柔性电极分别与一电压为Φ的高压直流电源的两极相连，此时介电型电活性聚合物类似于一个电容，电流无法穿过介电弹性体，因此上下两侧柔性电极处分别积累了±Q电荷，产生静电效应并形成库仑力，从而压缩介电弹性体并使之厚度减小至t，长度和宽度分别增大至l1和l2，此时介电型电活性聚合物在三个方向的受力状态分别为P1、P2和P3。该系统中Φ、Q、P和t是相互耦合的状态参数，其中任一状态的改变均会影响其他三个状态参数。
图5展示了星形负泊松比结构的一种二维截面以及变形示意图，其中每一层结构中包含的星形负泊松比元胞个数定义为横向元胞数，即沿x方向的元胞数；整体星形负泊松比结构中包含的层数定义为纵向元胞数，即沿y方向的元胞数。图中实例的横向元胞数为5，纵向元胞数为5。当星形负泊松比结构承受y方向的拉伸载荷时，其在x方向会发生膨胀变形，呈现负泊松比效应。为了更清晰的展示星形负泊松比结构，图中省略了电源系统。
在星形负泊松比结构中，某一元胞与其左侧元胞的连接方式为：102段与其左侧元胞的104段直接相连，为一整片材料的不同区域。该元胞与其右侧元胞的连接方式相同。
在星形负泊松比结构中，某一元胞与其上侧元胞的连接方式为：103段与其上侧元胞的105段直接相连，为一整片材料的不同区域。该元胞与其下侧元胞的连接方式相同。
图6展示了星形负泊松比结构的一种三维示意图，其为星形负泊松比结构的二维截面沿z轴方向拉伸而成，其沿z轴方向的深度为L。为了更清晰的展示星形负泊松比结构，图中省略了电源系统。
星形负泊松比结构还可以是其他形状，譬如由星形负泊松比元胞阵列而成的空心圆柱等等。
星形负泊松比结构可作为缓冲和减振元件，是由本身负泊松比结构的非线性力学特性和超弹性材料的非线性力学特性所决定的。
星形负泊松比结构的力学性能实时可变的原理为：当结构连接的电源电压Φ增大时，肌腱层的介电型电活性聚合物两侧电极上积累的电荷增大，产生的静电库仑力也随之增大，使介电型电活性聚合物的厚度减小，并使其面积增大，这将增大元胞有效高度hc和有效宽度wc，改变了星形负泊松比结构的结构参数；另一方面，电源电压Φ增大时，肌腱材料的刚度降低，改变了星形负泊松比结构的材料性能。因此星形负泊松比结构在不同电激励下具有不同的力学性能。
图7展示了星形负泊松比结构中机械力与电场力的关系。在平衡状态，电场力与机械力相等。当结构中介电型电活性聚合物的电压、电荷以及电容发生变化而使得电场力超过机械力时，如点1所示，为了达到平衡位置，则机械力持续增大，介电型电活性聚合物的厚度降低而面积增大，最终达到电场力与机械力的平衡，到达点2，在此过程中，部分电能转换为机械能。另一方面，当结构的载荷和变形发生变化而使得机械力超过电场力时，如点3所示，为了达到平衡位置，则电场力持续增大，介电型电活性聚合物两侧电极的电压升高，最终达到电场力与机械力的平衡，到达点4，在此过程中，部分机械转换为电能。在图中平衡状态曲线的左上方区域，星形负泊松比结构工作在致动器模式下，在平衡状态曲线的右下方区域，则工作在能量回收(或称发电机)或传感器模式下。
星形负泊松比结构在作为致动元件时，将电能转换为机械能，其基本原理为：当结构未接入电源时，肌腱层的介电型电活性聚合物在载荷的作用下保持平衡。而当结构接入电源时，介电型电活性聚合物在电压的作用下两侧电极积累电荷，产生的电场力沿厚度方向压缩介电型电活性聚合物并使其面积增大，从而使星形负泊松比结构发生一定量的位移，达到致动的功能。当结构接入的电源电压Φ以及承受的载荷P不同时，星形负泊松比结构产生的位移也不同，从而实现不同的致动需求。
星形负泊松比结构在作为能量回收元件时，将机械能转换为电能。图8展示了星形负泊松比结构在用作能量回收元件的典型机电循环的电压和电荷变化图，图9则展示了典型机电循环的能量变化图，图8和图9中的A、B、C、D四个点代表四个相同的状态。典型机电循环包含4个主要步骤：
(1)A点-B点，断开电源，介电型电活性聚合物两侧电极上的电荷量QL保持不变，则载荷增大时介电型电活性聚合物厚度减小，电容增大，两侧电极之间电压降低至ΦL，此为肌腱拉伸阶段，介电型电活性聚合物存储的机械能增大；
(2)B点-C点，介电型电活性聚合物两侧电极连接至一个具有较低电压ΦL的电源，介电型电活性聚合物厚度减小，两侧电极之间的间距减小并使电容增大，电荷量增大至QH，此为充电阶段，介电型电活性聚合物存储的电能增大；
(3)C点-D点，断开电源，在开路电路中电荷量QH保持不变，介电型电活性聚合物厚度增大，电容降低，则两侧电极之间的电压增大至ΦH，此为肌腱放松阶段，介电型电活性聚合物存储的机械能部分转换为电能；
(4)D点-A点，两侧电极连接至高电压ΦL的电源，则介电型电活性聚合物厚度增大，电荷量逐渐降低至QL，此为放电阶段，介电型电活性聚合物存储的电能减小，并给电源充电。
星形负泊松比结构作为传感器的原理为：在电路中接入LCR表，则当载荷增大时，肌腱层被拉伸，介电型电活性聚合物厚度减小，两侧电极之间的间距减小而使得电容增大，通过LCR表则能够测出电容的变化从而计算出载荷的变化。
通过设计一定的控制策略和控制系统，可实现星形负泊松比结构的多功能耦合。
星形负泊松比结构中所有包含的星形负泊松比元胞由相同或不同的材料制成，并具有相同或不同的结构参数和截面。
星形负泊松比结构可制成包括但不仅限于实时可变的缓冲元件、吸能元件、减振元件、弹簧-阻尼结构、传感器、致动器和能量回收元件。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.基于介电型电活性聚合物的星形负泊松比结构，其特征在于，由星形负泊松比元胞阵列而成；
所述星形负泊松比元胞包含骨骼和四条肌腱，所述骨骼呈四角星形，所述四条肌腱均为直线段，四条肌腱的一端和所述骨骼外表面的四个内凹角一一对应固连、另一端均朝外伸展；
所述骨骼的杨氏模量大于肌腱的杨氏模量；
所述四条肌腱均采用介电型电活性聚合物，其两侧均接外部电压。
2.根据权利要求1所述的基于介电型电活性聚合物的星形负泊松比结构，其特征在于，所述骨骼采用钢材、合金材料、高分子聚合物、高强度纤维材料中的任意一种制成。
3.根据权利要求1所述的基于介电型电活性聚合物的星形负泊松比结构，其特征在于，所述四条肌腱均呈夹芯板结构，夹芯材料为介电弹性体，夹芯材料两侧为柔性电极，且两侧柔性电极的杨氏模量小于介电弹性体的杨氏模量。
4.根据权利要求3所述的基于介电型电活性聚合物的星形负泊松比结构，其特征在于，所述夹芯材料采用聚氨酯弹性体、硅胶或丙烯酸酯中的任意一种，两侧柔性电极采用电极碳粉、银膏、金属薄膜、碳脂、碳纳米管、水凝胶电解质、石墨烯、导电弹性体中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的基于介电型电活性聚合物的星形负泊松比结构，其特征在于，所述四条肌腱和所述骨骼外表面的四个内凹角一一对应通过胶粘的方式进行连接。
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