电活性材料及驱动器开发

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电活性材料是一类能够在外界电刺激下改变形状或尺寸的材料。本文总结了常见的电活性材料,并侧重介绍了介电弹性体的发展现状。尽管只有二十多年的发展历史,其独特的电机械响应在生物医疗、人工仿生和微机电系统等领域展现出巨大的应用前景。  电子器件的可拉伸化逐渐成为未来的发展趋势。为了解决传统电极遗留的机械强度低、不透明和生物亲和性差等制约因素,我们首次引入了聚乙烯醇水凝胶离子型电极,构建基于丙烯酸酯介电弹性体的驱动器。聚乙烯醇水凝胶通过冷冻-解冻物理交联过程制备,具备优良的拉伸力学性能,同时赋予了电极形状尺寸的自定义化。该离子型电极利用静电场下的阴、阳离子迁移,在弹性体两侧形成库伦挤压力,从而实现大面积的应变。尽管水含量高达约90%,该水凝胶电极能够传递超过5 kV的直流高压,未出现水分解迹象。电驱动性能测试表明,电场强度、升压速率、凝胶机械强度以及水含量等因素均会对水凝胶电极器件的形变响应产生巨大的影响。同时,我们探索了凝胶电极的粘弹性对响应速度、连续循环测试的影响。凝胶电极的三维网络结构在反复拉伸过程中保持稳定,驱动器实现了超过78%的最大应变,连续工作次数达到2960次。  偶然中,我们发现金属薄膜能够在直流电场的刺激下做出迅速的响应,类似于鸟儿翅膀的扑翼运动。这一有趣的现象是由薄膜表面电荷分布不均匀引起的静电力失衡所诱发。实验验证了电极板间的交替运动伴随着充、放电过程。我们通过静态机械分析,定量描述了表面电荷分布与应变之间的实时关系。随着对电压的调控,我们能够改变振动的频率及其运动状态。所施加的电压越大,振动频率越高,峰值频率可以达到50 Hz。同时,我们研究了薄膜尺寸、自由端形状以及电场中位置等因素的影响。高速摄影发现,金属薄膜尖端位移基于时间的关系符合正弦函数波,升降压过程体现出了迟滞回线。该金属薄膜驱动器在直流电压实现交替运动,仅需要毫瓦级的能耗,并体现出长时间工作稳定性。  电活性材料的发展刚刚起步,本文阐述了笔者在硕士阶段的一些思考和展望。大自然的鬼斧神工恰到好处,早已指明了未来的发展方向,鼓舞我们不断探索。
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