电致动驱动器的变形量研究*

陈洁　李玉麒　刘庆飞　何山　詹仲强

(新疆大学 电气工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830047)



电致动驱动器的变形量研究*

陈洁李玉麒刘庆飞何山詹仲强

(新疆大学 电气工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830047)

用红外光谱、扫描电镜表征了介电弹性体VHB4910在不同预拉伸条件下的结构和形貌；用能谱分析了柔性电极导电膏中元素的种类和数量；在优化条件下由VHB4910和柔性电极制备了电致动驱动器,测试了其应变响应特性,并在柔性电极中加入0.3%的银粉进行相关对比实验.研究表明：VHB4910经等轴预拉伸后,材料表面更均匀,应变效果更好；在加压5 kV时,未添加银粉的柔性电极制作的电致动驱动器能产生更大变形量, 为149.8%,推测其与“量子隧道效应”有关.

智能材料；电致动驱动器；介电弹性体；柔性电极；应变响应

介电弹性体(DE)是一种新型智能高分子材料,在外加直流电场作用下通过材料内部结构的改变发生伸缩、膨胀等变形方式产生电致应变,外加电场消失后材料可迅速恢复到原始尺寸.与压电、铁电材料相比,DE膜型材料除了可以输出较大的应变及作用力外,还能够实现多次弯曲和形变,且动作柔和平滑.这些特点使得该材料成为制作电致动驱动器(DEA)的理想基础材料[1- 4].

李刚等[5]应用HN-1110T型的DE膜型材料研制了卷筒型一维伸缩致动器；王化明等[6]应用DE膜型材料研制了菱形线型驱动器.在设计驱动器之前,需要确定影响DE膜型材料电致应变响应的因素.魏源远等[7]研究了电极和预拉伸率对电致动器面积应变的影响；陈娟等[8]通过定量实验研究了HN-1110型DEAP材料的面积变化率与电压、预拉伸率、中心电极面积与窗口面积之比例、电极厚度之间的关系,并运用二次正交回归实验分析这些因素对DEAP电致应变的影响；而采用实验的方法效率不高且易产生误差.为此,文中采用灵敏度高、选择性好、操作简便、分析速度快的现代分析化学方法,对VHB4910 DE膜型材料进行红外光谱和扫描电镜分析,对柔性电极进行能谱分析,由结果分析出影响因素,最后由VHB4910和柔性电极制备成电致动驱动器.

1　实验

1.1主要原料与仪器

实验材料：VHB4910膜型材料,美国3M公司生产；导电膏(DDG-A型),武汉长江机电设备实业有限公司生产；银粉(纯度99.99%),上海试剂一厂生产.

主要仪器：VERTEX70-RAMII傅里叶红外拉曼光谱仪，德国BRUKER公司生产；LEO1430VP环境扫描电子显微镜，德国LEO公司生产；JEM2100型能谱仪，日本电子公司生产；BGG型直流高压发生器，北京机电研究院高压技术公司生产.

1.2测试与表征

采用VERTEX70-RAMII傅里叶红外拉曼光谱仪分析VHB4910薄膜中的结构和化学键类型；采用LEO1430VP环境扫描电子显微镜观察不同预拉伸下VHB4910薄膜的表面形貌；采用JEM2100型透射电镜能谱仪分析导电膏中元素的种类和数量；最后由VHB4910和柔性电极制备出电致动驱动器.

2　实验结果与讨论

2.1VHB4910膜型材料的红外光谱分析

VHB4910膜型材料官能团结构的FT-IR分析结果如图1所示.

图1　VHB4910红外光谱图

推断VHB4910膜型材料是含硅(或有机硅)聚丙烯酸酯类的橡胶,是智能聚合物材料丙烯酸弹性体中的一种,而不是文献[9- 11]中所叙述的聚丙烯酸橡胶.

2.2VHB4910膜型材料的表面形貌

在X方向×Y方向的预拉伸量分别为100%×100%和100%×200%的条件下,通过SEM观察不同预拉伸时VHB4910膜型材料的表面形貌,结果如图2所示.

(a)预拉伸100%×100%(b)预拉伸100%×200%

图2不同预拉伸时VHB4910表面的SEM图

Fig.2SEM images of VHB4910 surface under different prestretching rates

VHB4910膜型材料经预拉伸后,降低了薄膜分子驰豫的自由度,降低了薄膜内耗,从而提高了其机电转化效率及响应速度[12].把预拉伸后的VHB4910膜型材料粘到绝缘框架后进行SEM分析.

DE膜型材料在电场激励的作用下,两侧电极上的异性电荷相互吸引产生了Maxwell应力,该薄膜在Maxwell应力的作用下会沿电力线的方向收缩,同时沿垂直于电力线的方向扩张.沿电力线方向的作用力p可表示为[13]

(1)

式中,εr为介电弹性体的相对介电常数,ε0为自由空间介电常数,E为电场强度,V为激励电压,D为弹性体厚度.

由式(1)可知,在相同激励电压下,VHB4910薄膜厚度越小,所受作用力就越大.图2(a)表明弹性体在等轴拉伸时,薄膜表面光滑平整.图2(b)表明弹性体在非等轴预拉伸时,薄膜的表面出现褶皱,导致薄膜厚度不均,会造成高压激励下作用在VHB4910薄膜上的电场强度分布不均,使作用在较薄区域的静电力相对较大,该区域会先击穿.同时,在被击穿之前出现的大面积褶皱也会使实验结果有较大误差.因此采用等轴预拉伸的方式对介电弹性体的变形效果会更好.

2.3导电膏的能谱分析

理想的柔性电极材料应该具有薄、轻质、弹性模量极低、导电性良好、同时能使电荷均匀分布的特点[12].导电膏的导电性主要是依靠它的隧道效应[14],其中填充粒子是导电膏导电的关键,为分析填充粒子种类对DE材料电致应变的影响,用能谱仪分别测定两份等量的导电膏样品,得到两份导电膏样品中元素的种类和质量分数,如表1所示.

表1　DDG-A导电膏元素含量分析表

根据导电粒子的不同,导电膏可分为金、银、铜等金属系和碳系导电膏,从表1可见,DDG-A型导电膏属于碳系导电膏,各金属元素平均约占0.25%.金的性能最为稳定,但金的价格昂贵,除非特殊场合一般不使用金来作为导电材料.铜等金属由于极易氧化会在其表面形成一层氧化物,而氧化物本身不导电,造成其导电性能变差,甚至不导电[15].银及其氧化物都具有很好的导电性能,所以在该电极中加入0.3%的银粉,以提高其导电性.

2.4电致动驱动器制备及应变响应测试

由于橡胶材料初次加载时,会产生应力软化(Mullins效应),文中采用在预拉伸前循环加载5次的方法[16- 17]来减小应力软化对实验误差的影响.均匀预拉伸后的VHB4910膜型材料利用其自身黏性粘到中间开直径φ40 mm窗口的绝缘框架上,并在正反两面中心位置涂抹柔性电极材料,最后由导线连接到直流高压发生器上,如图3所示,并将绝缘框架垂直固定到绝缘支座上.

用数码相机采集加电压前后的图像数据,利用基于OpenCV中cvContourArea函数设计的C程序计算出加电压前后柔性电极区域的面积变化,进而计算出变形量(变形前后面积差与变形前面积之比).

图3　实验单元构成

2.4.1电致动驱动器的实验设计

实验选取VHB4910 DE膜型材料,按图3所示,以200%×200%的拉伸倍率双向等轴拉伸后,再分别涂抹添加银粉前后的导电膏进行实验.选取3、4、5、6 kV电压进行对比实验.实验装置如图4所示.

图4　实验系统组成

2.4.2图像处理与实验结果分析

通过数码相机采集得到加电压前后的图像,如图5(a)、5(b)所示.

图5　加电压前后DE图像

通过设计的C程序经预处理、灰度化、二值化、轮廓提取翻转后计算出面积[18],如图6(a)、6(b)所示,得到变形量为149.8%.

实验结果如表2所示,在电压3 kV至5 kV时,DEA变形量随着电压升高逐渐增大；未添加银粉导电膏的DEA在加压到5 kV时变形量为149.8%,而添加银粉导电膏的DEA在相同情况下测得的变形量仅为43.3%；未添加银粉的导电膏实验中,加压到6 kV时VHB4910薄膜材料发生失效,而在添加银的导电膏实验中,在6kV时会出现电极变形先增大后减小的现象,此时VHB4910薄膜材料并无明显破坏.

图6　加电压前后DE面积

电压/kVA1)/%B2)/%变形量之差/%323.87.216.6455.520.035.55149.843.3106.56失效39.7—

1)A表示未添加银粉导电膏DEA的变形量；2)B表示添加银粉导电膏DEA的变形量.

文献[12]称这种电极变形先增大后减小的现象为微观放电现象,但并没有针对不同柔性电极中填充粒子进行研究.根据实验现象推测是由于银粉颗粒较小(纳米级),在VHB4910薄膜材料的两端施加势能形成势垒时,导体中银粒子产生动能,在动能<势垒的条件下,银粒子从绝缘层一侧通过势垒而达到另一侧,即“量子隧道效应”[19].

在复合型导电高分子材料中,当粒子的质量分数小(添加纳米级银的导电膏)时,复合体系这种非线性导电现象可以用隧道效应理论来解释[20].隧道理论认为[21],材料导电依然有导电网络形成的问题,但不是靠导电粒子直接接触来导电,而是因电子在粒子间的跃迁而造成的.因此添加银导电膏后的模型材料其导电性并非随电压的增加而线性升高,而是开始缓慢上升,当电压达到一个临界渗流阈值时电导率急剧升高,曲线上出现一个狭窄的突变区域.超过此临界值,即使再增加电压,电导率无明显增加.在低电压区域,复合材料电导率很小,聚合物的电导率占主导,当电压达到渗流阈值时,由于大量导电通路的形成,电压略微增加便会引起复合材料电导率的大幅度提高；在高电压区域,复合材料电导率近似于导电填料的电导率.而且，填料含量与复合材料电导率的关系是非线性的.当导电填料含量达到渗流阈值时,由于大量导电通路的形成,含量少量的增加将引起复合材料电导率显著的提高.

由此可知：在选择柔性电极时,除了考虑柔性电极的厚度、质量、弹性模量、导电性等因素外[12],还需重点考虑柔性电极中填充物的种类.

3　结论

文中利用现代分析化学技术对VHB4910薄膜材料和导电膏进行了实验分析,制备了电致动驱动器并对其电致应变的特性进行了研究.得出如下结论:

(1)VHB4910属于一种聚丙烯酸酯橡胶,采用等轴预拉伸方式对电致动驱动器应变响应的效果最好.

(2)电致动驱动器的变形量随着电压升高而增大,直至失效.

(3)在5 kV电压下,未添加银粉比添加银粉后柔性电极制作的电致动驱动器变形量多106.5个百分点,推测是银粒子在高压激励作用下发生了“量子隧道效应”,从而影响了电致动驱动器的变形.未来理想柔性电极的选取仍然需要大量实验和交叉学科进行研究.

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s: Supported by the National Natural Science Foundation of China(51467020,51007077)

CHENJieLIYu-qiLIUQing-feiHEShanZHANZhong-qiang

(College of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, Xinjiang, China)

The structure and morphology of the dielectric elastomer VHB4910 under different pre-stretching conditions were characterized by means of IR and SEM, and the types and amounts of the elements in the conductive paste of flexible electrodes were analyzed by using an energy dispersive spectrometer. Then, by using VHB4910 and flexible electrodes, an electroactive actuator was prepared under the optimized conditions, and its strain response characteristics were tested. Moreover, the electroactive actuator with 0.3% silver in flexible electrodes was compared with that with the flexible electrode free of silver by an experiment. The results show that, after the isometric pre-stretching, VHB4910 has a more uniform surface with a better strain, and that, at the voltage of 5 kV, the electroactive actuator with the flexible electrode free of silver has a larger deformation of up to 149.8%,which may be related to “the quantum tunnel effect”.

intelligent materials; electroactive actuator; dielectric elastomer; flexible electrode; strain response

2015- 06- 20

国家自然科学基金资助项目(51467020,51007077)；新疆大学博士毕业生科研启动基金资助项目(BS120129)

陈洁(1975-),女,博士,副教授,主要从事智能材料在机电领域中的应用研究.E-mail:xj_cj@163.com

1000- 565X(2016)08- 0013- 05

TB 34；TB 332

10.3969/j.issn.1000-565X.2016.08.003