陳潔　李玉麒　劉慶飛　何山　詹仲?gòu)?qiáng)

(新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830047)

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電致動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的變形量研究*

陳潔李玉麒劉慶飛何山詹仲?gòu)?qiáng)

(新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830047)

用紅外光譜、掃描電鏡表征了介電彈性體VHB4910在不同預(yù)拉伸條件下的結(jié)構(gòu)和形貌；用能譜分析了柔性電極導(dǎo)電膏中元素的種類(lèi)和數(shù)量；在優(yōu)化條件下由VHB4910和柔性電極制備了電致動(dòng)驅(qū)動(dòng)器,測(cè)試了其應(yīng)變響應(yīng)特性,并在柔性電極中加入0.3%的銀粉進(jìn)行相關(guān)對(duì)比實(shí)驗(yàn).研究表明：VHB4910經(jīng)等軸預(yù)拉伸后,材料表面更均勻,應(yīng)變效果更好；在加壓5 kV時(shí),未添加銀粉的柔性電極制作的電致動(dòng)驅(qū)動(dòng)器能產(chǎn)生更大變形量, 為149.8%,推測(cè)其與“量子隧道效應(yīng)”有關(guān).

智能材料；電致動(dòng)驅(qū)動(dòng)器；介電彈性體；柔性電極；應(yīng)變響應(yīng)

介電彈性體(DE)是一種新型智能高分子材料,在外加直流電場(chǎng)作用下通過(guò)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變發(fā)生伸縮、膨脹等變形方式產(chǎn)生電致應(yīng)變,外加電場(chǎng)消失后材料可迅速恢復(fù)到原始尺寸.與壓電、鐵電材料相比,DE膜型材料除了可以輸出較大的應(yīng)變及作用力外,還能夠?qū)崿F(xiàn)多次彎曲和形變,且動(dòng)作柔和平滑.這些特點(diǎn)使得該材料成為制作電致動(dòng)驅(qū)動(dòng)器(DEA)的理想基礎(chǔ)材料[1- 4].

李剛等[5]應(yīng)用HN-1110T型的DE膜型材料研制了卷筒型一維伸縮致動(dòng)器；王化明等[6]應(yīng)用DE膜型材料研制了菱形線型驅(qū)動(dòng)器.在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器之前,需要確定影響DE膜型材料電致應(yīng)變響應(yīng)的因素.魏源遠(yuǎn)等[7]研究了電極和預(yù)拉伸率對(duì)電致動(dòng)器面積應(yīng)變的影響；陳娟等[8]通過(guò)定量實(shí)驗(yàn)研究了HN-1110型DEAP材料的面積變化率與電壓、預(yù)拉伸率、中心電極面積與窗口面積之比例、電極厚度之間的關(guān)系,并運(yùn)用二次正交回歸實(shí)驗(yàn)分析這些因素對(duì)DEAP電致應(yīng)變的影響；而采用實(shí)驗(yàn)的方法效率不高且易產(chǎn)生誤差.為此,文中采用靈敏度高、選擇性好、操作簡(jiǎn)便、分析速度快的現(xiàn)代分析化學(xué)方法,對(duì)VHB4910 DE膜型材料進(jìn)行紅外光譜和掃描電鏡分析,對(duì)柔性電極進(jìn)行能譜分析,由結(jié)果分析出影響因素,最后由VHB4910和柔性電極制備成電致動(dòng)驅(qū)動(dòng)器.

1　實(shí)驗(yàn)

1.1主要原料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料：VHB4910膜型材料,美國(guó)3M公司生產(chǎn)；導(dǎo)電膏(DDG-A型),武漢長(zhǎng)江機(jī)電設(shè)備實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)；銀粉(純度99.99%),上海試劑一廠生產(chǎn).

主要儀器：VERTEX70-RAMII傅里葉紅外拉曼光譜儀，德國(guó)BRUKER公司生產(chǎn)；LEO1430VP環(huán)境掃描電子顯微鏡，德國(guó)LEO公司生產(chǎn)；JEM2100型能譜儀，日本電子公司生產(chǎn)；BGG型直流高壓發(fā)生器，北京機(jī)電研究院高壓技術(shù)公司生產(chǎn).

1.2測(cè)試與表征

采用VERTEX70-RAMII傅里葉紅外拉曼光譜儀分析VHB4910薄膜中的結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵類(lèi)型；采用LEO1430VP環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察不同預(yù)拉伸下VHB4910薄膜的表面形貌；采用JEM2100型透射電鏡能譜儀分析導(dǎo)電膏中元素的種類(lèi)和數(shù)量；最后由VHB4910和柔性電極制備出電致動(dòng)驅(qū)動(dòng)器.

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1VHB4910膜型材料的紅外光譜分析

VHB4910膜型材料官能團(tuán)結(jié)構(gòu)的FT-IR分析結(jié)果如圖1所示.

圖1　VHB4910紅外光譜圖

推斷VHB4910膜型材料是含硅(或有機(jī)硅)聚丙烯酸酯類(lèi)的橡膠,是智能聚合物材料丙烯酸彈性體中的一種,而不是文獻(xiàn)[9- 11]中所敘述的聚丙烯酸橡膠.

2.2VHB4910膜型材料的表面形貌

在X方向×Y方向的預(yù)拉伸量分別為100%×100%和100%×200%的條件下,通過(guò)SEM觀察不同預(yù)拉伸時(shí)VHB4910膜型材料的表面形貌,結(jié)果如圖2所示.

(a)預(yù)拉伸100%×100%(b)預(yù)拉伸100%×200%

圖2不同預(yù)拉伸時(shí)VHB4910表面的SEM圖

Fig.2SEM images of VHB4910 surface under different prestretching rates

VHB4910膜型材料經(jīng)預(yù)拉伸后,降低了薄膜分子馳豫的自由度,降低了薄膜內(nèi)耗,從而提高了其機(jī)電轉(zhuǎn)化效率及響應(yīng)速度[12].把預(yù)拉伸后的VHB4910膜型材料粘到絕緣框架后進(jìn)行SEM分析.

DE膜型材料在電場(chǎng)激勵(lì)的作用下,兩側(cè)電極上的異性電荷相互吸引產(chǎn)生了Maxwell應(yīng)力,該薄膜在Maxwell應(yīng)力的作用下會(huì)沿電力線的方向收縮,同時(shí)沿垂直于電力線的方向擴(kuò)張.沿電力線方向的作用力p可表示為[13]

(1)

式中,εr為介電彈性體的相對(duì)介電常數(shù),ε0為自由空間介電常數(shù),E為電場(chǎng)強(qiáng)度,V為激勵(lì)電壓,D為彈性體厚度.

由式(1)可知,在相同激勵(lì)電壓下,VHB4910薄膜厚度越小,所受作用力就越大.圖2(a)表明彈性體在等軸拉伸時(shí),薄膜表面光滑平整.圖2(b)表明彈性體在非等軸預(yù)拉伸時(shí),薄膜的表面出現(xiàn)褶皺,導(dǎo)致薄膜厚度不均,會(huì)造成高壓激勵(lì)下作用在VHB4910薄膜上的電場(chǎng)強(qiáng)度分布不均,使作用在較薄區(qū)域的靜電力相對(duì)較大,該區(qū)域會(huì)先擊穿.同時(shí),在被擊穿之前出現(xiàn)的大面積褶皺也會(huì)使實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大誤差.因此采用等軸預(yù)拉伸的方式對(duì)介電彈性體的變形效果會(huì)更好.

2.3導(dǎo)電膏的能譜分析

理想的柔性電極材料應(yīng)該具有薄、輕質(zhì)、彈性模量極低、導(dǎo)電性良好、同時(shí)能使電荷均勻分布的特點(diǎn)[12].導(dǎo)電膏的導(dǎo)電性主要是依靠它的隧道效應(yīng)[14],其中填充粒子是導(dǎo)電膏導(dǎo)電的關(guān)鍵,為分析填充粒子種類(lèi)對(duì)DE材料電致應(yīng)變的影響,用能譜儀分別測(cè)定兩份等量的導(dǎo)電膏樣品,得到兩份導(dǎo)電膏樣品中元素的種類(lèi)和質(zhì)量分?jǐn)?shù),如表1所示.

表1　DDG-A導(dǎo)電膏元素含量分析表

根據(jù)導(dǎo)電粒子的不同,導(dǎo)電膏可分為金、銀、銅等金屬系和碳系導(dǎo)電膏,從表1可見(jiàn),DDG-A型導(dǎo)電膏屬于碳系導(dǎo)電膏,各金屬元素平均約占0.25%.金的性能最為穩(wěn)定,但金的價(jià)格昂貴,除非特殊場(chǎng)合一般不使用金來(lái)作為導(dǎo)電材料.銅等金屬由于極易氧化會(huì)在其表面形成一層氧化物,而氧化物本身不導(dǎo)電,造成其導(dǎo)電性能變差,甚至不導(dǎo)電[15].銀及其氧化物都具有很好的導(dǎo)電性能,所以在該電極中加入0.3%的銀粉,以提高其導(dǎo)電性.

2.4電致動(dòng)驅(qū)動(dòng)器制備及應(yīng)變響應(yīng)測(cè)試

由于橡膠材料初次加載時(shí),會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力軟化(Mullins效應(yīng)),文中采用在預(yù)拉伸前循環(huán)加載5次的方法[16- 17]來(lái)減小應(yīng)力軟化對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差的影響.均勻預(yù)拉伸后的VHB4910膜型材料利用其自身黏性粘到中間開(kāi)直徑φ40 mm窗口的絕緣框架上,并在正反兩面中心位置涂抹柔性電極材料,最后由導(dǎo)線連接到直流高壓發(fā)生器上,如圖3所示,并將絕緣框架垂直固定到絕緣支座上.

用數(shù)碼相機(jī)采集加電壓前后的圖像數(shù)據(jù),利用基于OpenCV中cvContourArea函數(shù)設(shè)計(jì)的C程序計(jì)算出加電壓前后柔性電極區(qū)域的面積變化,進(jìn)而計(jì)算出變形量(變形前后面積差與變形前面積之比).

圖3　實(shí)驗(yàn)單元構(gòu)成

2.4.1電致動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)選取VHB4910 DE膜型材料,按圖3所示,以200%×200%的拉伸倍率雙向等軸拉伸后,再分別涂抹添加銀粉前后的導(dǎo)電膏進(jìn)行實(shí)驗(yàn).選取3、4、5、6 kV電壓進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示.

圖4　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

2.4.2圖像處理與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)數(shù)碼相機(jī)采集得到加電壓前后的圖像,如圖5(a)、5(b)所示.

圖5　加電壓前后DE圖像

通過(guò)設(shè)計(jì)的C程序經(jīng)預(yù)處理、灰度化、二值化、輪廓提取翻轉(zhuǎn)后計(jì)算出面積[18],如圖6(a)、6(b)所示,得到變形量為149.8%.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示,在電壓3 kV至5 kV時(shí),DEA變形量隨著電壓升高逐漸增大；未添加銀粉導(dǎo)電膏的DEA在加壓到5 kV時(shí)變形量為149.8%,而添加銀粉導(dǎo)電膏的DEA在相同情況下測(cè)得的變形量?jī)H為43.3%；未添加銀粉的導(dǎo)電膏實(shí)驗(yàn)中,加壓到6 kV時(shí)VHB4910薄膜材料發(fā)生失效,而在添加銀的導(dǎo)電膏實(shí)驗(yàn)中,在6kV時(shí)會(huì)出現(xiàn)電極變形先增大后減小的現(xiàn)象,此時(shí)VHB4910薄膜材料并無(wú)明顯破壞.

圖6　加電壓前后DE面積

電壓/kVA1)/%B2)/%變形量之差/%323.87.216.6455.520.035.55149.843.3106.56失效39.7—

1)A表示未添加銀粉導(dǎo)電膏DEA的變形量；2)B表示添加銀粉導(dǎo)電膏DEA的變形量.

文獻(xiàn)[12]稱(chēng)這種電極變形先增大后減小的現(xiàn)象為微觀放電現(xiàn)象,但并沒(méi)有針對(duì)不同柔性電極中填充粒子進(jìn)行研究.根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象推測(cè)是由于銀粉顆粒較小(納米級(jí)),在VHB4910薄膜材料的兩端施加勢(shì)能形成勢(shì)壘時(shí),導(dǎo)體中銀粒子產(chǎn)生動(dòng)能,在動(dòng)能<勢(shì)壘的條件下,銀粒子從絕緣層一側(cè)通過(guò)勢(shì)壘而達(dá)到另一側(cè),即“量子隧道效應(yīng)”[19].

在復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料中,當(dāng)粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小(添加納米級(jí)銀的導(dǎo)電膏)時(shí),復(fù)合體系這種非線性導(dǎo)電現(xiàn)象可以用隧道效應(yīng)理論來(lái)解釋[20].隧道理論認(rèn)為[21],材料導(dǎo)電依然有導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)形成的問(wèn)題,但不是靠導(dǎo)電粒子直接接觸來(lái)導(dǎo)電,而是因電子在粒子間的躍遷而造成的.因此添加銀導(dǎo)電膏后的模型材料其導(dǎo)電性并非隨電壓的增加而線性升高,而是開(kāi)始緩慢上升,當(dāng)電壓達(dá)到一個(gè)臨界滲流閾值時(shí)電導(dǎo)率急劇升高,曲線上出現(xiàn)一個(gè)狹窄的突變區(qū)域.超過(guò)此臨界值,即使再增加電壓,電導(dǎo)率無(wú)明顯增加.在低電壓區(qū)域,復(fù)合材料電導(dǎo)率很小,聚合物的電導(dǎo)率占主導(dǎo),當(dāng)電壓達(dá)到滲流閾值時(shí),由于大量導(dǎo)電通路的形成,電壓略微增加便會(huì)引起復(fù)合材料電導(dǎo)率的大幅度提高；在高電壓區(qū)域,復(fù)合材料電導(dǎo)率近似于導(dǎo)電填料的電導(dǎo)率.而且，填料含量與復(fù)合材料電導(dǎo)率的關(guān)系是非線性的.當(dāng)導(dǎo)電填料含量達(dá)到滲流閾值時(shí),由于大量導(dǎo)電通路的形成,含量少量的增加將引起復(fù)合材料電導(dǎo)率顯著的提高.

由此可知：在選擇柔性電極時(shí),除了考慮柔性電極的厚度、質(zhì)量、彈性模量、導(dǎo)電性等因素外[12],還需重點(diǎn)考慮柔性電極中填充物的種類(lèi).

3　結(jié)論

文中利用現(xiàn)代分析化學(xué)技術(shù)對(duì)VHB4910薄膜材料和導(dǎo)電膏進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析,制備了電致動(dòng)驅(qū)動(dòng)器并對(duì)其電致應(yīng)變的特性進(jìn)行了研究.得出如下結(jié)論:

(1)VHB4910屬于一種聚丙烯酸酯橡膠,采用等軸預(yù)拉伸方式對(duì)電致動(dòng)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)變響應(yīng)的效果最好.

(2)電致動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的變形量隨著電壓升高而增大,直至失效.

(3)在5 kV電壓下,未添加銀粉比添加銀粉后柔性電極制作的電致動(dòng)驅(qū)動(dòng)器變形量多106.5個(gè)百分點(diǎn),推測(cè)是銀粒子在高壓激勵(lì)作用下發(fā)生了“量子隧道效應(yīng)”,從而影響了電致動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的變形.未來(lái)理想柔性電極的選取仍然需要大量實(shí)驗(yàn)和交叉學(xué)科進(jìn)行研究.

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CHENJieLIYu-qiLIUQing-feiHEShanZHANZhong-qiang

(College of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, Xinjiang, China)

The structure and morphology of the dielectric elastomer VHB4910 under different pre-stretching conditions were characterized by means of IR and SEM, and the types and amounts of the elements in the conductive paste of flexible electrodes were analyzed by using an energy dispersive spectrometer. Then, by using VHB4910 and flexible electrodes, an electroactive actuator was prepared under the optimized conditions, and its strain response characteristics were tested. Moreover, the electroactive actuator with 0.3% silver in flexible electrodes was compared with that with the flexible electrode free of silver by an experiment. The results show that, after the isometric pre-stretching, VHB4910 has a more uniform surface with a better strain, and that, at the voltage of 5 kV, the electroactive actuator with the flexible electrode free of silver has a larger deformation of up to 149.8%,which may be related to “the quantum tunnel effect”.

intelligent materials; electroactive actuator; dielectric elastomer; flexible electrode; strain response

2015- 06- 20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51467020,51007077)；新疆大學(xué)博士畢業(yè)生科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(BS120129)

陳潔(1975-),女,博士,副教授,主要從事智能材料在機(jī)電領(lǐng)域中的應(yīng)用研究.E-mail:xj_cj@163.com

1000- 565X(2016)08- 0013- 05

TB 34；TB 332

10.3969/j.issn.1000-565X.2016.08.003