CN108206238B - 一种使圆形结构介电弹性体膜上产生相变转换的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使圆形结构介电弹性体膜上产生相变转换的方法，使用圆形硬质框架作为支撑，并选定VHB高分子聚合物材料作为介电高弹体薄膜；对膜上褶皱变换进行了运算处理，获取了该变换临界电压值；使用不同的通电区域面积，来判断不同的预拉伸值影响，若预拉伸值为1，则介电弹性膜上通电区域容易产生膨胀凸起现象；若预拉伸值在3以上时，则膜上易产生褶皱现象。根据不同的计算结果与现象进行结构优化设计；对于DE膜表面在通电情况下存在的不稳定现象，比如loss of tension和电击穿，进行数据获取。基于Gent模型对圆形介电高弹体膜进行了仿真计算，预拉伸率对介电弹性体的机电相变有着显著的影响。

Description

一种使圆形结构介电弹性体膜上产生相变转换的方法

技术领域

本发明属于相变转换方法技术领域，具体涉及一种使圆形结构介电弹性体膜上产生相变转换的方法。

背景技术

介电弹性体通过电压引起的不稳定性来实现大的的变形，在传感器中，介电弹性体膜随着厚度的减小，电场增加；如果这种正反馈在弹性体上应变-硬化传播，弹性体将会变得不稳定，从而引起很大的变形，甚至电击穿。适当结构设计的传感器可以利用这种输入不稳定性，在电击穿发生之前产生巨大的由电压引起的变形。

机电不稳定性也会引起机电相变，预拉伸状态下的介电弹性体膜在电压作用下被观察到多种类型的相变转换，其中较为常见的是膜上平坦区域和褶皱区域共存，主要原因是在一定的电压作用下，膜局部区域承受输入不稳定性从而变薄，且能够在输入不稳定条件下存在而不发生电击穿，同时变薄的区域又被周围较厚区域限制，从而褶皱现象在膜上变薄区域产生，随着电压的逐渐增大，膜上的电荷越来越多，弹性体上薄的区域逐渐替代了厚的区域，直至整张膜完全变薄，这种现象类似于热-气相变效应。机电相变也能被机械载荷显著的影响，比如，单轴力作用。相比之下，另外一种相变，即凸起和平滑部分共存，该现象容易发生在管状腔体上，凸起相变可以显著增强机电能量转换，机电能量转换周期在凸起与非凸起相变下比无相变状态下的装置高出数千倍，不过这还处于理论预测层面，需要得到实际的验证。

在现有的研究中，对于平坦区域与褶皱区域的共存状态的研究比较少而且较困难，因为褶皱区域样式复杂，或者在褶皱状态下薄膜经常遭受介电失效。

发明内容

本发明为了模仿生物的附着功能和表面皮肤的纹理，对软材料介电弹性体上的相变转换进行了研究。当介电弹性体膜受到径向力和逐渐递增的电压时，在介电失效之前会发生4种试验现象：膜上通电区域扩张，薄膜保持平坦直到破裂；从平坦状态转变为凸起状态；膜上褶皱部分和凸起部分共存；涂有电极区域完全转换为褶皱状态。无预拉伸时，薄膜在不断增大的电压作用下膨胀凸起，而褶皱现象一般出现在较大的预拉伸作用下。

具体的技术方案如下：

一种使圆形结构介电弹性体膜上产生相变转换的方法，利用介电高弹体驱动器技术和非线性算法进行相变转换，包括以下步骤：

步骤1：裁剪介电弹性体膜，然后预拉伸，粘连在硬质框架上，通过两个铜片连接到高压电，预拉伸区域面积的计算式为

在介电弹性体薄膜的上下两个表面均匀涂抹柔性可伸缩电极，当该结构同时受到预拉伸力和电压作用时，异性电荷相互吸引，同性电荷相互排斥，弹性体的厚度会减小，面积显著扩大，最后变形到一种平衡状态；

步骤2：对步骤1得到的介电弹性体圆形膜结构，采用相机拍摄模式跟踪介电弹性体薄膜的驱动变化，并记录薄膜在不同外力作用下的面积变化：

步骤3：判断步骤2中检测到的面积变化；当预拉伸率λ为1时，介电高弹膜上产生膨胀凸起现象，当预拉伸率λ为3或以上时，膜上产生褶皱变化；

步骤4：对于一个柱坐标系，在变形状态下，圆形介电弹性体膜单元处在一个三维应力状态：σ_z，σ_r和σ_θ。理想应力

和

机械力平衡要求：

步骤5：定义Helmholtz自由能的名义密度为W，采用Gent模型，当变形趋向于拉伸极限，即

弹性体急剧变硬，甚至电击穿发生；其中J_lim是极限拉伸。

本发明的进一步改进，所述圆形结构介电弹性体膜在高电压作用下，能够模仿生物的附着功能和表面皮肤的纹理。

本发明的进一步改进，计算方法如下：

(1)在变形过程中，膜的总体积不变，因此λ_rλ_θλ_z＝1，

然后得出E＝

介电弹性体电击穿场强度为：

(2)介电弹性体薄膜的电压-电荷曲线呈N形，即上升-下降-再上升。在这个过程中，会发生三种状态：平面膜，褶皱膜或者薄膜上平面区域和褶皱区域共存。

(3)电位移D可以表达为：

其中E是电场强度，ε是介电常数；当设定εE²＝0，因为主方向是径向和周向，根据Gent模型，材料模型的表达式为：

本发明的进一步改进，所述的检测方法如下：

(4)结构内部的边界位于区域A和区域B交接面处，外边界满足R＝B，内部边界r＝a处的径向力平衡条件满足σ_θ＝σ_r，区域A在高压作用下经历均匀的等双轴变形，在边界r＝a，存在：

Φ：电压；

Q：电荷量。

本发明的进一步改进，所述的相变方法如下：

(5)四种现象发生在电击穿失效之前：第一种现象是涂有电极区域的膜向未涂区域扩展，失效之前膜仍保持平坦，B/A＝2，λ_pre＝2，厚度H＝1mm，支撑框架的内径为6cm；第二种现象是膜上只产生凸起，λ_pre＝1；第三种现象是膜上褶皱部分和凸起区域共存，B/A＝2，λ_pre＝4.5；第四种现象是只有褶皱形成，B/A＝2，H＝1mm。

(6)在第四种现象中，又存在着两种类型的转换，即膜表面平坦区域和褶皱区域之间的转换：一种类型是褶皱在平面膜小区域形成，然后褶皱部分逐渐取代平坦部分，直到涂有电极的区域全部变褶皱，λ_pre＝4，；第二类是：随着电压的增加，褶皱和平坦区域一直相互转换，直到电击穿，λ_pre＝3。

相变数据表中主要数据有：

λ_pre：预拉伸率；

A，B：膜上有电极区域A和未涂电极的区域B；

本发明的有益效果：

1、介电弹性体传感器的设计通常涉及到框架的约束，平坦、褶皱或是凸起的膜在一定电压值下一直存在而不被电击穿，DE膜的褶皱或膨胀凸起的现象能够用来实现大变形的需求。

2、如果最大驱动拉伸是由DE膜张力的消失引起的，那么在膜张力消失和电击穿之前，进一步驱动DE膜能够产生更大的变形，产生更多的能量。

3、预拉伸对介电弹性体的机电相变有着显著的影响。

附图说明

图1为本发明圆形介电高弹体驱动器简图；

图2为本发明材料相变转换图；

图3为本发明高压与拉伸率关系图；

图4-1为相变转换后第一和第二种状态图；

图4-2为相变转换后第三种状态图；

图4-3为相变转换后第四和第五种状态图；

图5为本发明拟合图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供一种使圆形结构介电弹性体膜上产生相变转换的方法，本发明使用介电高弹体驱动器技术和非线性算法进行相变转换，当介电弹性体膜受到径向力和逐渐递增的电压时，在介电失效之前会发生4种试验现象：膜上通电区域扩张、薄膜保持平坦直到破裂、从平坦状态转变为凸起状态、膜上褶皱部分和凸起部分共存；涂有电极区域完全转换为褶皱状态。无预拉伸时，薄膜在不断增大的电压作用下膨胀凸起，而褶皱现象一般出现在较大的预拉伸作用下。

一种使圆形结构介电弹性体膜上产生相变转换的方法，具体包括以下步骤：

步骤1：裁剪介电弹性体膜，然后预拉伸，粘连在硬质框架上，通过两个铜片连接到高压电，预拉伸区域面积的计算式为πA²

，如图1所示。在介电弹性体薄膜的上下两个表面均匀涂抹柔性可伸缩电极，当该结构同时受到预拉伸力和电压作用时，异性电荷相互吸引，同性电荷相互排斥，弹性体的厚度会减小，面积显著扩大，最后变形到一种平衡状态；

步骤2：对步骤1得到的介电弹性体圆形膜结构，采用相机拍摄模式跟踪介电弹性体薄膜的驱动变化，并记录薄膜在不同外力作用下的面积变化；区域B的变形不同于区域A；圆形薄膜的周向拉伸系数为

。介电弹性体薄膜先被预拉伸，电压-电荷曲线呈N形，即上升-下降-再上升。如图2所示，在这个过程中，会发生三种状态：平面膜，褶皱膜或者薄膜上平面区域和褶皱区域共存。a中伴随着电荷的跳跃式突变，b中曲线为连续转换。

其中圆形薄膜经历会一系列的平衡状态图如图3所示；

相变转换步骤：

(1)在上述步骤1中的变形过程中，膜的总体积不变，因此λ_rλ_θλ_z＝1，

然后得出

介电弹性体电击穿场强度为：

(2)介电弹性体薄膜先被预拉伸，电压-电荷曲线呈N形，即上升-下降-再上升。在这个过程中，会发生三种状态：平面膜，褶皱膜或者薄膜上平面区域和褶皱区域共存。

(3)电位移D可以表达为：

其中E是电场强度，ε是介电常数；当设定εE²＝0，因为主方向是径向和周向，根据Gent模型，材料模型的表达式为：

(4)结构内部的边界位于区域A和区域B交接面处，外边界满足R＝B。内部边界r＝a处的径向力平衡条件满足σ_θ＝σ_r。区域A在高压作用下经历均匀的等双轴变形，在边界r＝a，存在：

随着电压的增加，圆形薄膜经历会一系列的平衡状态，直到产生电击穿；DE材料失去应力从而产生相变。

测量边界平衡方法步骤：

(1)内部边界r＝a处的径向力平衡条件满足σ_θ＝σ_r。区域A在高压作用下经历均匀的等双轴变形，在边界r＝a，存在：

当变形趋向于拉伸极限，即

弹性体急剧变硬，甚至电击穿发生。

(2)在区域B中，边界r＝b处存在公式：

因为在变形过程中，膜的总体积不变，因此λ_rλ_θλ_z＝1，

然后得出

(3)介电弹性体电击穿场强度为：

E_B(1)是拉伸系数λ＝1时的电击穿场强，R是电击穿场强敏感度，R＝0意味着电击穿场是独立的参数，厚度H＝1mm，E_B(1)＝30.6MV/m，R＝1.13。

如图4所示，相变转换的方法为：

(1)DE膜上涂有电极区域通电后平坦扩张，B/A＝2，λ_pre＝2，厚度H＝1mm，支撑框架的内径为6cm；

(2)λ_pre＝1，平坦区域和膨胀凸起区域转换。

(3)B/A＝2，λ_pre＝4.5，褶皱和凸起部分在DE膜上共存。

(4)B/A＝2，H＝1mm，λ_pre＝4，随着电压的增大，膜上通电区域的褶皱部分不断连续地替代平坦区域，直到整个区域全部变褶皱。

(5)λ_pre＝3，薄膜上通电区域经历了从平坦到褶皱状态的转变，而且两种现象在递增的电压下互相转换，同时不同长度的褶皱纹也在区域A上互相转变。

图5展示的是拟合曲线图，当λθ值在3到5之间，B/A＝2，厚度H＝1mm时，在一定电压值下，DE膜上平坦与褶皱共存直至电击穿；每一个星号(﹡)点对应于具体的现象值，曲线是计算值。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种使圆形结构介电弹性体膜上产生相变转换的方法，其特征在于：利用介电高弹体驱动器技术和非线性算法进行相变转换，包括以下步骤，

步骤1：裁剪介电弹性体膜，然后预拉伸，粘连在硬质框架上，通过两个铜片连接到高压电，预拉伸区域面积的计算式为

，在介电弹性体薄膜的上下两个表面均匀涂抹柔性可伸缩电极，当该结构同时受到预拉伸力和电压作用时，异性电荷相互吸引，同性电荷相互排斥，弹性体的厚度会减小，面积显著扩大，最后变形到一种平衡状态；

步骤2：对步骤1得到的介电弹性体圆形膜结构，采用相机拍摄模式跟踪介电弹性体薄膜的驱动变化，并记录薄膜在不同外力作用下的面积变化：

步骤3：判断步骤2中检测到的面积变化；当预拉伸率λ为1时，介电高弹膜上产生膨胀凸起现象，当预拉伸率λ为3或以上时，膜上产生褶皱变化；

步骤4：对于一个柱坐标系，在变形状态下，圆形介电弹性体膜单元处在一个三维应力状态：σ_z，σ_r和σ_θ，理想应力

和

机械力平衡要求：

；

步骤5：定义Helmholtz自由能的名义密度为W，采用Gent模型，当变形趋向于拉伸极限，即

，弹性体急剧变硬，甚至电击穿发生；其中J_lim是极限拉伸。

2.根据权利要求1所述的一种使圆形结构介电弹性体膜上产生相变转换的方法，其特征在于：所述圆形结构介电弹性体膜在高电压作用下，能够模仿生物的附着功能和表面皮肤的纹理。

3.根据权利要求1或2所述的一种使圆形结构介电弹性体膜上产生相变转换的方法，其特征在于：

步骤3.1：在变形过程中，膜的总体积不变，因此λ_rλ_θλ_z＝1，

，然后得出

介电弹性体电击穿场强度为：

步骤3.2：介电弹性体薄膜的电压-电荷曲线呈现N字形，即上升-下降-再上升；在这个过程中，会发生三种状态：平面膜、褶皱膜或者薄膜上平面区域和褶皱区域共存；

步骤3.3：电位移D可以表达为：

，其中E是电场强度，ε是介电常数；当设定εE²＝0 ，因为主方向是径向和周向，根据Gent模型，材料模型的表达式为：

Φ：电压；

Q：电荷量。

4.根据权利要求1或2所述的一种使圆形结构介电弹性体膜上产生相变转换的方法，其特征在于：

结构内部的边界位于区域A和区域B交接面处，外边界满足R＝B，内部边界r＝a处的径向力平衡条件满足σ_θ＝σ_r，区域A在高压作用下经历均匀的等双轴变形，在边界r＝a，存在：

。

5.根据权利要求1或2所述的一种使圆形结构介电弹性体膜上产生相变转换的方法，其特征在于：所述的步骤5中相变方法如下：

步骤5.1：四种现象发生在电击穿失效之前：第一种现象是涂有电极区域的膜向未涂区域扩展，失效之前膜仍保持平坦，B/A＝2，λ_pre＝2，厚度H＝1mm，支撑框架的内径为6cm；第二种现象是膜上只产生凸起，λ_pre＝1；第三种现象是膜上褶皱部分和凸起区域共存，B/A＝2，λ_pre＝4.5；第四种现象是只有褶皱形成，B/A＝2，H＝1mm；

步骤5.2：在第四种现象中，又存在着两种类型的转换，即膜表面平坦区域和褶皱区域之间的转换：一种类型是褶皱在平面膜小区域形成，然后褶皱部分逐渐取代平坦部分，直到涂有电极的区域全部变褶皱，λ_pre＝4；第二类是：随着电压的增加，褶皱和平坦区域一直相互转换，直到电击穿，λ_pre＝3；

相变数据表中主要数据有：

λ_pre：预拉伸率；

A，B：膜上有电极区域A和未涂电极的区域B。

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