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介电弹性体也称电活性聚合物人工肌肉,它能在外界的电场诱导条件下改变形状,而当外界电场撤销时,它又能恢复到原来的形状。因此,介电弹性体可以用来作为智能驱动器。与压电、铁电材料相比,它具有超大变形,高弹性能密度、高效率、超短反应时间、疲劳寿命高、循环次数高等特点,为制作轻便、微型化、精度高的驱动器和传感器提供了条件,是极有发展潜力的一种智能材料。可以广泛应用到航天结构器件领域、仿生物学领域、医用领域。 本文制备了介电弹性体/铁电陶瓷颗粒复合材料和介电弹性体/导电颗粒复合材料并对其进行性能表征,研究了影响介电弹性体电致变形性能的因素,应用介电弹性体的自由能函数来研究介电弹性体复合材料的本构关系及其机电稳定性,制备了介电弹性体驱动器,分析了折叠形驱动器的失效模式及其稳定工作区域,初步将堆栈形驱动器应用于盲文显示设备。 首先,研究了介电弹性体/铁电陶瓷颗粒复合材料和介电弹性体/导电颗粒复合材料。一方面采用纳米级钛酸钡颗粒作为增强相,与介电弹性体复合制备介电弹性体纳米复合材料。铁电陶瓷颗粒可大幅度提高介电弹性体的介电性能,从而提高介电弹性体复合材料的电致驱动性能;另一方面,在介电弹性体基体中添加多壁碳纳米管制备介电弹性体/导电颗粒纳米复合材料。在外加高电场的作用下,聚合物中的导电粒子产生极化,从而提高了聚合物的介电性能,也提高了介电弹性体复合材料的电致驱动性能。研究内容主要包括介电弹性体纳米复合材料的制备、微观结构分析、导电颗粒增强复合材料介电性能的机理、力学性能和介电性能的研究等。通过介电弹性体电致变形试验,分析和讨论了复合材料的组成成分、含量、力学及介电性能对介电弹性体电致驱动性能的影响规律。研究了材料的预拉伸、不同的电极材料、温度条件对介电弹性体电致变形性能的影响,研究了介电弹性体材料在极端温度条件下的力学性能,并对介电弹性体的疲劳寿命进行了研究。 其次,基于介电弹性体的非线性场理论,应用介电弹性体的自由能函数来研究介电弹性体复合材料的本构关系及其机电稳定性;考虑温度、掺杂和电致伸缩变形的耦合影响,建立介电弹性体复合材料介电常数模型,从而构建系统的电场能,研究介电弹性体复合材料的热力学性能和热机电稳定性性能。 最后,研究了机械力场对介电弹性体平面驱动器机电稳定性的影响,得出平面驱动器名义电场与名义电位移的关系,采用不同的自由能函数得出系统的稳定性参数,在此基础上制备了介电弹性体平面驱动器,比较丙烯酸型驱动器与硅橡胶型驱动器的电致变形效应。制备介电弹性体折叠形驱动器。基于热力学理论和非线性场理论,分析了折叠形驱动器的机电稳定性,研究了电击穿、拉力消失、拉伸破坏、电压振动等失效因素对驱动器稳定性的影响,得出折叠形驱动器的稳定工作区域。对折叠形驱动器进行性能测试,研究了介电弹性体弹性模量、电极宽度、介电弹性体薄膜厚度对折叠形驱动器电致变形的影响。制备介电弹性体堆栈形驱动器。通过堆栈形驱动器的电致变形驱动,初步应用于盲文显示设备,这为其将来的实际应用打下了一定前期基础。