掺杂液体金属的高介电常数弹性体驱动器力电耦合研究

Flexible electronic systems are widely used in wearable electronic device, biocompatible instruments and soft robotics, etc. Maintaining the attractive mechanical and rheological properties of soft synthetic materials, especially the high permittivity and low modulus, liquid metal embedded elastomers (LMEEs) show significant advantages in the production of flexible actuators and transducers. Currently, research on LMEEs focuses on the tests of their mechanical and electric performances, but few work has been reported on the modeling of the electromechanical coupling behaviors of LMEEs or on the design and applications of related devices. This program will first establish an electromechanical coupling constitutive model for LMEEs by combining the thermodynamic free energy theory and mesomechnical theory of composite materials; second, implement the design and production of prototype devices actuated by LMEEs. Experiments will be performed on the prototype devices in order to investigate the influences of various parameters upon the electromechanical coupling performances and the forms of failure of the devices. The research proposed in this program will not only produce academically important results, but also provide theoretical guidance on the design and production of prototype devices of LMEEs actuators.

柔性电子系统在可穿戴电子设备、生物兼容仪器、柔性机器人等领域被广泛应用。液态金属掺杂介电弹性材料由于保留了柔性合成材料的力学属性和流变性质，并且具有高介电常数和低模量，因而此材料用于制备柔性驱动和传感器件具备明显优势。目前研究主要集中于对该材料力学和电学性能的测试，但缺乏对该材料的力电耦合模型建立以及相关器件的设计和应用研究。本项目以液态金属掺杂介电弹性材料为研究对象，首先结合热力学中自由能理论和复合材料的细观力学理论，建立该材料的力电耦合本构模型，阐明材料的电致变形机理；其次，开展该材料驱动原理器件设计与研制，并对原理器件进行试验测试，从而探究不同物理参数对其力电耦合性能和失效形式影响。本项目的研究内容不仅具有良好的学术意义，也可为液态金属掺杂介电弹性材料驱动器原理器件的设计提供理论参考和设计依据。

柔性电子系统在可穿戴电子设备、生物兼容仪器、柔性机器人等领域被广泛应用。液态金.属掺杂介电弹性材料由于保留了柔性合成材料的力学属性和流变性质，并且具有高介电常数和低模量，因而此材料用于制备柔性驱动和传感器件具备明显优势，目前缺乏对该材料的力电耦合模型建立以及相关器件的设计和应用研究。本项目以液态金属掺杂介电弹性材料为研究对象，首先制备出具有高介电常数、低弹性模量的掺杂液体金属的介电弹性体材料（Liquid metal embedded elastomer，LMEE），对不同掺杂比例的LMEE进行了力学及电学的性能表征；其次，开展该材料驱动原理器件设计与研制，首次提出了基于LMEE夹层结构的电致变形圆形驱动器，并对原理器件进行试验测试，实验获得最大90%的面积应变，并且探究不同物理参数对其力电耦合性能和失效形式影响；最后考虑到此材料具有高介电常数，因此基于LMEE设计了一种应变传感器，探究了LMEE的传感性能，验证了其作为柔性传感材料的可行性；最后，使用增量谐波平衡法结合弧长法对介电弹性体进行动力学分析，结论表示该方法可行有效。本项目的研究内容不仅具有良好的学术意义，也可为液态金属掺杂介电弹性材料驱动器原理器件的设计提供理论参考和设计依据。