介電彈性體
關(guān)注創(chuàng)建者：YANGCY 創(chuàng)建時(shí)間：2019-03-04
介電彈性體的視頻教程
介電彈性體的實(shí)例教程
從形狀記憶合金（SMA），到氣動(dòng)制動(dòng)器，再到電活性聚合物（EAP）都可能實(shí)現(xiàn)人造肌肉目標(biāo)的核心。其中，EAP是和天然生物材料最為接近的人造材料，它們包括離子注入和基于電場(chǎng)的致動(dòng)機(jī)制。
【成果簡(jiǎn)介】
在EAP的領(lǐng)域中，最主要的研究方向是介電彈性體（DEs），它們應(yīng)變大、斷裂韌性和功率重量比與天然肌肉相近。雖然介電彈性體致動(dòng)器（DEAs）在過去的20年里展現(xiàn)了巨大潛力。如何解決圍繞DEA的核心問題，包括改善其在溫度和電壓方面的操作范圍，為材料添加新功能，以及提高它們所依賴的組件的可靠性。
近日，加州大學(xué)洛杉磯分校的裴啟兵教授（通訊作者）在Acc. Chem. Res.上發(fā)表了一篇題為 “Dielectric Elastomer Artificial Muscle: Materials Innovations and Device Explorations” 的綜述文章，涵蓋了該課題組和其他人在相關(guān)領(lǐng)域的重要研究。同時(shí)，本文還討論了可變剛度聚合物，特別是雙穩(wěn)態(tài)電活性聚合物，對(duì)于軟驅(qū)動(dòng)器技術(shù)通常無(wú)法實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)應(yīng)用的開放式DEA，探索了與高度柔順和透明電極相關(guān)的科技進(jìn)步。最后，文章介紹了應(yīng)用前景及當(dāng)前DEA技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，并推測(cè)可能進(jìn)一步推進(jìn)基于DE的人工肌肉整體的研究方向。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1 DEA的工作原理示意圖
DEA由夾在兩個(gè)柔性電極之間的彈性體組成，當(dāng)施加電壓時(shí)，發(fā)生電荷分離并在膜上引起靜電壓力，這會(huì)使薄膜變形，增加其面積并減小其厚度。
圖2 VHB丙烯酸彈性體的驅(qū)動(dòng)性能。
展開 介電彈性體由于具有質(zhì)量輕，柔韌性好，高能量密度以及響應(yīng)迅速等優(yōu)良特性，在驅(qū)動(dòng)器，軟體機(jī)器人，電子皮膚，人工肌肉，能量采集等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。常規(guī)驅(qū)動(dòng)電壓一般 > 1kV，容易使材料發(fā)生介電擊穿，同時(shí)材料在使用時(shí)不可避免地產(chǎn)生內(nèi)部局部損傷,也會(huì)導(dǎo)致材料失效從而縮短使用壽命。采用具有自愈功能的介電智能材料，能使其自發(fā)進(jìn)行自我修復(fù)，從而延長(zhǎng)電容器使用壽命。
英國(guó)華威大學(xué) (University of Warwick)的Chaoying Wan 課題組 (通訊作者)及其博士生Chris Ellingford聯(lián)合英國(guó)巴斯大學(xué)(University of Bath)的張妍博士(Yan Zhang, 第一作者)和 Chris Bowen教授等研究人員，通過一步法改性商品化熱塑性彈性體，制備了一種具有高介電和自愈合功能的新型彈性體材料，首次報(bào)道了其電學(xué)與機(jī)械(圖１)自愈合能力以及驅(qū)動(dòng)性能，研究成果近期發(fā)表在Advanced Functional Material上。
圖１MGSBS的力學(xué)損傷及其修復(fù)過程。
自愈后的材料在“傷口”界面處有一定的雜質(zhì)或空氣，當(dāng)對(duì)材料施加電壓時(shí)，電場(chǎng)會(huì)在這些低介電常數(shù)的區(qū)域集中，使得愈合后的材料在發(fā)生介電擊穿時(shí)依然在這些“傷口”區(qū)域，如圖2的模擬結(jié)果所示。將材料在33 %進(jìn)行預(yù)拉伸制成介電驅(qū)動(dòng)器，其驅(qū)動(dòng)性能結(jié)果顯示經(jīng)介電擊穿后并自我修復(fù)完的材料有67 %的恢復(fù)水平，經(jīng)力學(xué)損傷后并自我修復(fù)完的材料具有損傷前材料介電強(qiáng)度的39 %，如圖3。
圖2自愈合聚合物材料介電失效的有限元分析
圖3 基于MGSBS介電聚合物材料的驅(qū)動(dòng)器及其自愈合能力
研究報(bào)告發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》雜志。
展開 當(dāng)液體與固體相接觸時(shí)，在二者的界面處會(huì)形成雙電層，這是電化學(xué)、微流體學(xué)和膠體化學(xué)等許多研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)。近期的一些研究表明，在不同的環(huán)境刺激下，液固界面雙電層的動(dòng)態(tài)變化可以對(duì)外輸出電功，例如濕度變化、水蒸發(fā)發(fā)電等。此外，機(jī)械運(yùn)動(dòng)也可以引起固-液界面的動(dòng)態(tài)變化，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械能-電能的轉(zhuǎn)換。前期的一些工作報(bào)道了基于水滴與介電聚合物間動(dòng)態(tài)界面的發(fā)電器件。
近來，中科院納米能源所蒲雄研究員和王中林院士課題組設(shè)計(jì)并制備了基于水凝膠-介電聚合物間動(dòng)態(tài)界面的發(fā)電器件，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械-電能的轉(zhuǎn)換，并基于此構(gòu)建了用于監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的自驅(qū)動(dòng)柔性力敏傳感器。該器件工作原理為：首先，水凝膠與介電聚合物之間的接觸起電可以使介電聚合物表面帶電，并在水凝膠與介電聚合物間界面形成雙電層；然后，金字塔形水凝膠的周期性機(jī)械變形導(dǎo)致雙電層面積和電容的周期性變化，從而在外部電路中感應(yīng)出交流電（圖1a）。該工作認(rèn)為水凝膠-介電聚合物界面的雙電層是通過界面接觸起電和異號(hào)電荷靜電吸引兩步形成的，而界面的接觸起電是主要基于水分子與介電聚合物間的電子轉(zhuǎn)移（圖2）。利用這種基于動(dòng)態(tài)雙電層的機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)制，該工作構(gòu)建了可拉伸的自驅(qū)動(dòng)壓力傳感器（圖3）。進(jìn)一步地，通過增加介電彈性體聚合物的表面粗糙度，提高了傳感靈敏度，在 31-300 Pa 的低應(yīng)力范圍內(nèi)，靈敏度可以達(dá)到 1.40 kPa-1；最后，該工作示意了利用此傳感器檢測(cè)人體機(jī)械運(yùn)動(dòng)和生理信號(hào)（圖4）。這種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換器件和相應(yīng)的自驅(qū)動(dòng)傳感器有望廣泛應(yīng)用于未來的柔性電子器件。
展開 3）復(fù)合改性：通過與其他低介電材料進(jìn)行復(fù)合改性，使得聚酰亞胺整體介電常數(shù)降低。
自修復(fù)介電彈性體執(zhí)行器
圖5
使用
UPy-CPU-2 聚合物的介電彈性體致動(dòng)器 (DEA
) 的性能。
a) 在 1 kHz 至 1 MHz 的頻率范圍內(nèi)測(cè)量的 UPy-CPU-2 的介電常數(shù)和介電損耗角正切。b) UPy-CPU-2 DEA 獲得的代表性面積應(yīng)變和在環(huán)境條件下愈合 12 小時(shí)后愈合的 UPy-CPU-2 DEA 的面積應(yīng)變顯示幾乎完全恢復(fù)。c) UPy-CPU-2 DEA 在關(guān)閉狀態(tài)和開啟狀態(tài)下在 ≈50 V μm
-1
下具有重疊的碳油脂電極。愈合區(qū)域可以通過紅色箭頭指示的疤痕識(shí)別。d) 移除電極后，在 UPy-CPU-2 中觀察到由介電擊穿形成的孔。e) UPy-CPU-2 再次預(yù)應(yīng)變并顯示孔的恢復(fù)。插入物展示了去除預(yù)應(yīng)變后損壞區(qū)域的擠壓。f) UPy-CPU-2 DEA 獲得的代表性面積應(yīng)變和電愈合 UPy-CPU-2 DEA 在環(huán)境條件下愈合 12 小時(shí)后的面積應(yīng)變。g) 附著在 UPy-CPU-2 DEMES 上的帶有 PET 腿的 DEMES 履帶式行走裝置。機(jī)器人的起始位置用紅色虛線表示。施加≈30 V μm
-1
后，應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致身體向下推，腿向前推。當(dāng)電壓被移除時(shí)，由于兩個(gè)接觸點(diǎn)之間的
不對(duì)稱摩擦，機(jī)器人的身體被向前拉。從指示其終點(diǎn)的藍(lán)色虛線可以看出在單個(gè)步驟中行進(jìn)的大致距離。
總結(jié)
通過在聚氨酯上設(shè)計(jì)
UPy 和羧基，分級(jí)動(dòng)態(tài)氫鍵賦予薄膜
高拉伸強(qiáng)度 (9.44 MPa)、斷裂伸長(zhǎng)率 (2340%) 和韌性 (74.85 MJ m
-3
)
。此外，隨著丙酮和 IPA 等極性溶劑的引入，由于其作為增塑劑的作用，增加了聚合物鏈的流動(dòng)性和改變聚合物鏈平衡的能力，因此可以顯著提高自修復(fù)效率和粘合強(qiáng)度。氫鍵與解離狀態(tài)。
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介電彈性體的最新內(nèi)容
糧食含水率檢測(cè)傳感器是一種專門用于測(cè)量糧食中水分含量的精密儀器，其核心功能在于通過特定的技術(shù)原理，快速、準(zhǔn)確地獲取糧食的水分?jǐn)?shù)據(jù)，為糧食的儲(chǔ)存、加工及貿(mào)易提供重要依據(jù)。
糧食含水率檢測(cè)傳感器主要基于電容式、電阻式或微波式等原理進(jìn)行工作。電容式傳感器通過測(cè)量糧食與傳感器之間形成的電容變化來推算水分含量，其優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量快速、非破壞性，但對(duì)糧食的密度和溫度有一定要求。電阻式傳感器則是利用糧食水分對(duì)電阻的影響來測(cè)量
超稀疏介電納米線柵偏振器8個(gè)月前
摘要
超稀疏介質(zhì)納米線柵具有很強(qiáng)的偏振相關(guān)性，可作為寬帶反射體。[J. W. Yoon et al., Opt. Express 23, 28849-28856 (2015)]。利用傅立葉模態(tài)方法研究了所選納米線柵的偏振、波長(zhǎng)和角相關(guān)特性。電場(chǎng)與納米線柵相互作用的可視化被展現(xiàn)出來。
建模任務(wù)
結(jié)果
?不同結(jié)構(gòu)的反射率vs波長(zhǎng)
[VirtualLab] 超稀疏介電納米線柵偏振器8個(gè)月前
摘要
超稀疏介質(zhì)納米線柵具有很強(qiáng)的偏振相關(guān)性，可作為寬帶反射體。[J. W. Yoon et al., Opt. Express 23, 28849-28856 (2015)]。利用傅立葉模態(tài)方法研究了所選納米線柵的偏振、波長(zhǎng)和角相關(guān)特性。電場(chǎng)與納米線柵相互作用的可視化被展現(xiàn)出來。
建模任務(wù)
結(jié)果
? 不同結(jié)構(gòu)的反射率
關(guān)鍵詞：Materials Studio，DFT，castep，介電常數(shù)
今天介紹一下如何用CASTEP計(jì)算靜介電常數(shù)（static permittivity）。
導(dǎo)入構(gòu)型?
首先新建一個(gè)project，然后導(dǎo)入SiO2的結(jié)構(gòu)文件。
計(jì)算
具體做法：首先雙擊打開SiC_beta，然后點(diǎn)擊Modules | CASTEP | Calculation
摘要
超稀疏介質(zhì)納米線柵具有很強(qiáng)的偏振相關(guān)性，可作為寬帶反射體。[J. W. Yoon et al., Opt. Express 23, 28849-28856 (2015)]。利用傅立葉模態(tài)方法研究了所選納米線柵的偏振、波長(zhǎng)和角相關(guān)特性。電場(chǎng)與納米線柵相互作用的可視化被展現(xiàn)出來。
建模任務(wù)
結(jié)果
?不同結(jié)構(gòu)的反射率vs波長(zhǎng)
介電擊穿是電氣工程中的關(guān)鍵問題，尤其是在高電場(chǎng)環(huán)境下。復(fù)合材料在抗擊穿性能上的優(yōu)化仍面臨挑戰(zhàn)。本人為大家提供了一篇文獻(xiàn)和文獻(xiàn)參考源代碼模型，為方便大家學(xué)習(xí)特將模型源代碼粘貼在文末，祝大家科研順利！源代碼圖片如下：
1.摘要
本研究提出了一種基于相場(chǎng)模型的介電損傷演化方法，通過引入損傷變量區(qū)分導(dǎo)電通道與未損傷區(qū)域，避免了復(fù)雜的微觀細(xì)節(jié)處理。采用Griffith
摘要
超稀疏介質(zhì)納米線柵具有很強(qiáng)的偏振相關(guān)性，可作為寬帶反射體。[J. W. Yoon et al., Opt. Express 23, 28849-28856 (2015)]。利用傅立葉模態(tài)方法研究了所選納米線柵的偏振、波長(zhǎng)和角相關(guān)特性。電場(chǎng)與納米線柵相互作用的可視化被展現(xiàn)出來。
建模任務(wù)
結(jié)果
□ 不同結(jié)構(gòu)的反射率vs
為了進(jìn)一步提升飛行器的抗沖擊能力，哈佛大學(xué)的Chen等在2019年提出了一種以介電彈性體驅(qū)動(dòng)為驅(qū)動(dòng)方案的微型飛行器，這種微型飛行器使用介電彈性體作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，可以達(dá)到約500 Hz的撲翼頻率，如圖19所示，功率密度為600 W/kg［36］。
當(dāng)聚酰亞胺薄膜用在集成電路行業(yè)或作為通信天線的絕緣材料時(shí)，材料的介電性能或介電損耗是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中非常關(guān)注的一個(gè)參數(shù)
