聚吡咯导电聚合物驱动器力学性能分析

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导电聚合物(Conducting polymers缩写为CPs)是由电性能和力学性能复合产生的一类极具发展潜力的功能复合材料。因具有能耗小、质轻、驱动电压小、生物相容性、柔韧性好等优异特性,在仿生机器人和生物医学设备中有着广泛的应用前景。本文以聚吡咯(PPy)为驱动材料的导电聚合物作为研究对象,依据导电聚合物驱动器的工作原理,参考驱动器结构尺寸,针对自制的弯曲型导电聚合物驱动器搭建实验系统,研究其弯曲运动特性。本文的主要研究内容为:1、提出了两种建模方法:线性梁理论方法(分析方法)和基于热力学类比的有限元分析方法(黑箱方法),并且通过这两种方法分别建立了导电聚合物驱动器的等效悬臂梁力学模型和有限元分析模型。2、通过对不同长度的驱动器施加(0 V~1.0 V)低电压,测量其顶端弯曲变形量;通过研究驱动器的弯曲位移与电压、力与电压的关系,建立电压与等效均布载荷、电压与应变的线性函数关系以及电压与半径的指数函数关系,并且计算出合理的等效弯矩值;通过对驱动器10等分,验证了各等分点处的实测值与理论值的最大偏差对驱动器的正常工作影响比较小;通过分析驱动器弯曲位移与电压的关系及位移与频率的关系,建立电—机械转换模型,并且得出导电聚合物驱动器的电致伸缩特性具有频率低通性。3、提出了一种验证力学模型的实验方法。在距离驱动器的顶端1 mm处固定微型磁铁,通过驱动器举起其自身重量约为5倍的重物移动2.71 mm,验证了驱动器顶端可以承受力,同时表明了该方法是可行的。4、通过对比驱动器的真实应变与热应变,建立热—结构耦合模型,并使用有限元法(FEM)求解该模型;通过仿真结果与实验数据的对比,验证了该耦合模型模拟驱动器弯曲运动的有效性。5、设计制作出一款具有结构简单、能耗小、质轻等特点的微型抓取装置。
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