介电高弹聚合物力电耦合失效研究

Electromechanical failures of Dielectric elastomer involve many effects as the fracture of soft material, electric breakdown and electromechanical instabilities. Study in Dielectric elastomer electromechanical failure is very important for instructing both the theory and the applications. In the practical applications, electromechanical failures severely suppress the electromechanical performances of DE structures. Controlling or harnessing the electromechanical failure becomes crucial to the performances enhancement of Dielectric elastomer devices. This project investigates the Dielectric elastomer electromechanical failure. Based on experiments, fracture under electromechanical loads and electromechanical instability behaviors will be investigated with considering the viscoelastic effects. Dielectric elastomer electromechanical failure models and related numerical methods will be developed. New actuation mechanism with controlling or harnessing the electromechanical failure will be utilized in practical device models to enhance the performances.

介电高弹聚合物的力电耦合失效涉及了柔性材料断裂、电击穿、力电失稳等多种效应。准确表征力电失效演化行为，获得耦合失效机理，建立可靠的力电耦合失效模型对介电高弹聚合物的理论研究及工程应用具有重要意义。在实际应用中，介电高弹聚合物力电耦合失效极大制约了其器件的力电性能；合理抑制或利用力电耦合失效成为提升介电高弹聚合物器件性能的一大关键。本课题以介电高弹聚合物为研究对象，基于实验测试，研究力电耦合加载下材料断裂和局部力电失稳引发电击穿等力电失效行为；考虑粘弹性因素的影响，建立介电高弹聚合物力电失效模型，发展可用于实际器件失效的分析方法与模拟手段；发展可抑制或利用力电失效的新型器件驱动方法，并应用到实际器件模型中，提升器件力电性能。

主要开展了新型介电驱动爬行结构和纤维增强的驱动传感一体化的介电薄片模块的研究。具体包括：（1）在力电耦合非线性理论基础上，借助有限元仿真技术，对柔性智能结构的驱动行为进行分析，研究影响其性能的因素；（2）根据仿真计算的结果，对柔性智能结构形式进行设计；（3）通过三维快速成型与复合薄膜成型技术制备柔性智能结构，提升性能；（4）对柔性智能结构的变形能力与驱动频率等基本参数进行试验验证；（5）研究柔性智能结构驱动时的自传感能力，设计并应用相应的自传感模块；（6）纤维加强的介电薄膜驱动性能研究。验证了预拉伸对介电高弹体薄膜驱动性能以及力电耦合失效的影响。(7) 设计并实现了介电高弹体双稳态驱动结构，并多场耦合建模。