電致伸縮材料特性測試方法及其驅(qū)動器件研究.pdf

1、納米鈦酸鋇/聚氨酯復(fù)合體電致伸縮材料作為一種智能功能材料,具有聲阻抗低,機(jī)械柔韌性好,加工性能良好以及加工成本低等優(yōu)點(diǎn),由其制成的微位移驅(qū)動器適用于微米、納米級分辨率的精密機(jī)械、醫(yī)療器械、人造器官以及微型水泵等領(lǐng)域。電致伸縮材料特性測試及其微致動器研究涉及材料、測量、控制、信號處理、機(jī)械等多種學(xué)科,是跨學(xué)科研究的熱點(diǎn)。本文致力于電致伸縮材料特性測試方法的研究及其微致動器的設(shè)計,并得劍了江蘇省自然科學(xué)基金項目資助(項目編號:BK20030

2、63)。 首先,本文研究了納米鈦酸鋇摻雜改性方法和聚氨酯彈性體的合成方法,分析了聚氨酯彈性體的結(jié)構(gòu)與其性能之間關(guān)系,對制備的多個不同納米鈦酸鋇含量聚氨酯彈性體復(fù)合材料進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析與性能表征,進(jìn)行了制備材料的硬度、動態(tài)壓縮、熱性能、動態(tài)粘彈性、介電性能測量試驗。試驗結(jié)果表明摻入納米鈦酸鋇對聚氨酯彈性體復(fù)合材料的各種性能有較大提高。分析了電致伸縮材料高壓電容負(fù)載等效模型和電致伸縮材料對高樂源的特殊要求；提出帶反饋、手動/自動控制測

3、試高壓源解決方案,針對高壓輸出非線性提出了查表和自動非線性糾正的方法,測試表明所研制的高壓源具有良好的特性。 其次,本文研究了各種微位移、微應(yīng)變測試方法的原理、范圍、精度和適用場合,提出并實(shí)現(xiàn)了光學(xué)杠桿法測量聚氨酯電致伸縮材料微位移/微麻變方法,采用多橢圓環(huán)質(zhì)心法識別并手動糾正光源位置不垂直引入的誤差,提出先剔除畸變后采用高斯曲面擬合方法提高光斑中心求解精度的方法。結(jié)果表明：提出的光斑中心求解方法能較好地消除平臺和傾角及其他因素

4、導(dǎo)致的誤差,同時還可以推算出光斑峰值。研究了電容線性位移傳感結(jié)構(gòu)利原理,并選擇電容法作為聚氨酯電致伸縮特性測試的方法：在此基礎(chǔ)上研制了電容法電致伸縮特性測試裝置,設(shè)計和實(shí)現(xiàn)了平板電容微位移、微力測量結(jié)構(gòu)和電磁力加載機(jī)構(gòu)。 再次,本文采用研制的光學(xué)杠桿法和電容法電致伸縮特性裝置對不同摻雜比例納米鈦酸鋇/聚氨酯彈性體的電致伸縮特性進(jìn)行了測試,分析了電致伸縮特性的影響因素,針對各種電致伸縮現(xiàn)象提出了電致伸縮材料電荷遷移逾滲復(fù)合模型(C

5、TPM)。測試結(jié)果表明低含量的摻雜納米鈦酸鋇可以提高復(fù)合物的電致伸縮應(yīng)變,但是含量進(jìn)一步的提高卻降低了復(fù)合材料的電致伸縮應(yīng)變,摻雜6％鈦酸鋇聚氨酯彈性體表現(xiàn)出最佳電致伸縮應(yīng)變：隨著力負(fù)載的增加電致伸縮應(yīng)變減?。烩佀徜^/聚氨酯彈性體表現(xiàn)出一定的驅(qū)動力,極板電荷相互吸引力不是導(dǎo)致電致伸縮應(yīng)變的唯一原因：本體聚氨酯的電致應(yīng)變響應(yīng)速度較快,同復(fù)程度較好,能基本回復(fù)到原點(diǎn)；納米鈦酸鋇/聚氨酯隨摻雜含量提高,恢復(fù)速度減慢。研究和分析表明電致伸縮效應(yīng)