介电弹性材料的非线性热-力-电耦合行为研究

Dielectric elastomer (DE) is a new type soft smart material. Subjected to a voltage, a DE reduces its thickness and generates large expansion in its area of a maxmum area strain of 1600% and can be used in high performance applications as actuators. However, few reports have been released on the effects of temperature and viscoelasticity on nonlinear electromechanical coupling performance of DE, futhermore, even fewer are capable of making reliable predictions under dynamic performance, resulting in difficult to control the instabilities and limiting its engineering application of the DE. Here, combining with the special nonlinear deformation，viscoelasticity and the thermo-electromechanical coupling deformation experiments of the most widely used DE (VHB 4910), the project will proposed a nonlinear electromechanical coupling model by involving temperature, viscoelasticity and dielectric property. Then, based on the nonlinear thermo-electromechanical coupling model of DE, the project will gradually carry out the research on the influences of temperature, viscoelastic relaxation and dielectric property on the nonlinear electromechanical coupling deformation; and analysis the effect of temperature on the static and dynamic electromechanical coupling stability of DE. This method is expected to provide theoretical framework in the design of actuator structure, as well as the design of improved dielectric elastomer membranes.

介电弹性材料（Dielectric elastomer，DE）是一种新型软物质智能材料，可在电压驱动下产生大幅度的厚度与面积变形，最大面积应变高达1600%,可以作为柔性致动器被广泛应用。针对现有研究对DE材料中的非线性力电耦合性能的研究尚不够充分，特别是温度和粘弹性影响以及DE动态特性研究缺乏，导致实际应用中对于材料的失稳规律难以掌握及控制，限制了其在工程中的推广和使用，基于此，本课题以典型的DE材料（VHB 4910）为研究对象，结合DE材料特有的非线性变形、粘弹性以及DE材料的热-力-电耦合变形试验，建立一种考虑温度、粘弹性和介电性等各种因素的DE材料非线性热-力-电耦合模型。在模型的基础上深入研究温度、粘弹性松弛和介电性对DE材料的非线性力电耦合变形的影响，揭示温度对DE材料静态和动态力电耦合稳定性的影响规律,为DE致动器件的设计和DE材料的改进提供理论指导。

介电弹性材料（Dielectric elastomer，DE）是一种新型软物质智能材料，可在电压驱动下产生大幅度的厚度与面积变形，最大面积应变高达1600%，可以作为柔性致动器被广泛应用。针对现有研究对DE材料中非线性力电耦合性能的研究尚不够充分，特别是温度和粘弹性影响以及DE动态特性研究缺乏，导致实际应用中对于DE材料的失稳规律难以掌握及控制，限制了其在工程中的推广和使用。基于此，本课题以典型的DE材料（VHB 4910）为研究对象：（1）通过实验研究了温度对DE材料的基本力电特性和力电耦合性能的影响规律，获得了DE材料的弹性模量、应力松弛、介电弛豫数学方程。基于DE材料的热-力-电耦合实验测量平台，初步探索了温度对DE材料力电耦合变形的影响；（2）从热力学的基本理论出发，结合DE材料特有的非线性变形、粘弹性以及DE材料的热-力-电耦合变形试验，建立一种考虑温度、粘弹性和介电性等各种因素的DE材料非线性热-力-电耦合模型。在模型的基础上，研究了温度、粘弹性松弛和介电性对DE材料的非线性力电耦合变形的影响。结果表明：随着温度升高， DE材料的电击穿场强逐渐下降，DE材料的力电耦合变形逐渐增大；（3）最后，获得了DE材料在动态载荷下的非线性动态变形规律，研究了DE致动器在交变载荷下的振动响应、相平面以及幅频响应，获得了温度对DE致动器动态稳定性的影响规律。为DE致动器件的设计和DE材料的改进提供理论指导。