介电弹性体俘能器力电耦合及能量转化机理的基础研究

基于新型软聚合物介电弹性体材料的俘能器的研究在国际上也刚刚起步，是目前电活性聚合物研究领域的前沿和热点问题之一，相关的基础理论研究还有很多尚属空白的地方，如介电弹性体俘能器能量转化机理、数值仿真手段等。本项目将对软聚合物介电弹性体俘能器的力电耦合模型、俘能器能量转化机理、俘能器力学分析和数值仿真等方面开展基础研究：发展介电弹性体大变形力电耦合理论，得到大变形情况下介电材料的非线性介电模型及其物理描述；揭示俘能器在周期振动、随机载荷作用下的动态响应和能量转化机理；建立俘能器的力学分析模型和数值仿真方法，开发仿真程序，对其性能进行预测；给出影响俘能器设计的关键力学和材料参数，研究提高能量转化效率的途径。研究成果将为电活性软材料力学行为的研究和新型俘能器的设计提供新的理论方法、新的研究思路和技术手段。项目所开发的程序有望开发为计算仿真模块嵌入已有大型商用软件，具有一定的应用开发前景和良好的效益。

基于介电高弹聚合物理论，结合失效机制，研究了聚合物介电弹性体（DE）俘能器在等双轴变形、单轴变形和纯剪切变形三种不同变形模式下的最大能量收集量，并分析其稳定性特征。根据非线性弹性大变形理论，分析了蠕动泵中的介电弹性体管状驱动器的均匀大变形力电耦合特性，并讨论了轴向预拉伸对驱动变形量的影响，预测了由介电弹性体击穿电压限制的驱动器的极大电致变形量。将柔性光栅置于圆形介电弹性驱动器上，通过电压的调节可实现光栅的连续改变。理论分析了这种圆形驱动器的变形和应力，得到在不同电压下驱动器的变形以及光栅周期随电压变化的改变，并与实验数据相吻合，还可预测当失拉发生时的临界电压值。研究了锥型介电弹性体驱动器的力电稳定性问题，数值计算得到驱动器发生力电失稳时的临界电压，表明可以通过预拉伸来增加临界真实电场强度来实现更大的电致变形。结合材料用户子程序UMAT，运用ABAQUS软件数值模拟了几种典型的DE驱动器在机电载荷共同作用下的大变形、失稳等力学性能。基于定义用户单元的子程序UEL，数值模拟求解了圆形、管状和锥形等俘能器的能量转换过程，得到其在力电耦合作用下的变形、能量收集密度和能量转换效率的大小，讨论施加的电压、电荷量和机械载荷及结构参数等对俘能器能量收集密度和转换效率的影响。研究DE俘能器的能量转化机理和和影响能量转化效率的主要因素，针对三种不同形状的典型俘能器，理论分析计算了俘能器构形、失效形式、材料特性等对俘能器最大能量采集、能量转化效率的影响。基于热动力学理论，考虑惯性力的影响，建立力学模型，分析了环形DE振动器在动态载荷下的非线性振动响应等动力学行为。