基于介電彈性體智能軟材料的能量收集理論研究與器件設(shè)計.pdf

1、長期以來，關(guān)于材料的科學(xué)研究大多集中于硬材料領(lǐng)域。但是隨著社會的發(fā)展，傳統(tǒng)的硬質(zhì)材料已經(jīng)不能滿足社會生產(chǎn)和日常生活的很多需求。自然界中動、植物等生物體的主要結(jié)構(gòu)大多屬于軟材料。與傳統(tǒng)的金屬、陶瓷等硬材料相比，軟材料有其巨大的優(yōu)越性。介電彈性體屬于一種典型的軟材料，它具有大變形、輕質(zhì)量、高響應(yīng)速率、高彈性能密度、價格低廉、易加工制造和良好的生物親和性等優(yōu)點。介電彈性體最初由美國斯坦福研究院從90年代開始研究，它能夠在機(jī)械力和電場作用下產(chǎn)生

2、大變形，實現(xiàn)機(jī)械能與電能之間的相互轉(zhuǎn)換。利用這一性質(zhì)，介電彈性體被廣泛應(yīng)用于制造驅(qū)動器、傳感器與能量收集器等器件，其在機(jī)械、醫(yī)療、軍工、航天等領(lǐng)域均具有巨大的應(yīng)用前景。
　　本文利用介電彈性體可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能這一性質(zhì)，研究了其能量收集理論并進(jìn)行了能量收集器的設(shè)計與組裝。首先從軟材料的力學(xué)角度著手，闡述基于熱力學(xué)框架與連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型的介電彈性體理論，從理論與試驗兩方面分析了Gent模型與Neo-Hookean模型兩種不同的超

3、彈性材料模型對于其本構(gòu)關(guān)系的影響。其次，根據(jù)介電彈性體的五種失效模式推導(dǎo)了其失效時的控制方程，利用控制方程在力—位移與電壓—電荷平面描繪了許用區(qū)域，隨后在力—位移平面下計算了理論最大可轉(zhuǎn)換能量；在電壓—電荷平面下計算了最大可實現(xiàn)轉(zhuǎn)換能量。再次，對于能量收集過程中的能量耗散效應(yīng)展開了分析，考慮了粘彈性與泄露電流兩種情況，其中粘彈性行為可以損耗掉輸入的機(jī)械能，而泄露電流則可以損耗掉輸出的電能，二者是能量收集過程中能量耗散的主要因素。最后設(shè)計