[发明专利]基于介电型电活性聚合物的双波浪形负泊松比结构

说明书

本发明公开了一种基于介电型电活性聚合物的双波浪形负泊松比结构，由双波浪形负泊松比元胞阵列，该元胞分别由波浪形肌腱（101‑105）和骨骼（106‑110）构成。肌腱由介电型电活性聚合物制成，为一夹芯板结构，其中夹芯材料为介电弹性体，两侧为柔性电极，骨骼的杨氏模量比肌腱材料大。肌腱上下表面的柔性电极分别与高压直流电源111的正负极连接，其电压以及通路开路状态可调。将双波浪形负泊松比元胞进行阵列，可构成双波浪形负泊松比结构。由于介电型电活性聚合物的机械状态和静电状态是相互耦合的，因此能实现机械能与电能之间的相互转换，实现双波浪形负泊松比结构的结构实时可变、致动、能量回收和传感等功能。

技术领域

本发明涉及一种双波浪形负泊松比结构，尤其涉及一种基于介电型电活性聚合物的双波浪形负泊松比结构。

背景技术

负泊松比(Negative Poisson’s Ratio,NPR)结构是一类具有独特力学性能的新型结构，在受压时会发生侧向收缩而不是侧向膨胀，因此材料会自动集中于加载处从而能够更有效地承受载荷，结构的刚度也会随着载荷的增加而非线性增大，因此负泊松比结构能够更加充分地利用材料的力学性能。负泊松比结构的力学性能与所使用材料的力学特性和结构参数密切相关，经过一定的材料和参数设计，负泊松比结构能够同时具有优异的吸能效率和阻尼性能，在一定程度上可以同时实现弹性元件和减振元件的作用。然而当材料与结构参数确定时，负泊松比结构的刚度、阻尼等基本力学性能也随之确定，无法同时满足不同载荷和激励作用下的性能最优。例如在应用于吸能与减振结构时，若施加的载荷较小，负泊松比结构的变形较小无法达到最大的工作行程，使得峰值力无法降低；而当载荷较大时，负泊松比结构的变形很大并且超过了最大行程，则峰值力在之后也会大幅度的增加。因此负泊松比结构的吸能和减振性能还存在着进一步提高的空间。而如果负泊松比结构的力学性能实时可变，则在不同载荷工况下，都能够完全利用结构的最大行程，在保证吸能效率的情况下能够最大程度降低峰值力，因此设计一种力学性能实时可变的负泊松比结构具有重大意义。

电活性聚合物是一类在电场和电压激励下可以产生大幅度位移和载荷变化的新型柔性功能材料，此外，其位移和载荷情况的改变也会引起电场和电压的显著变化，因此电活性聚合物的载荷、位移、电场和电压状态是相互耦合的，其中任一状态的改变将会引起其他某一个参数状态或某几个参数状态的变化。电活性聚合物主要可分为离子型和电场型两大类：离子型电活性聚合物是以化学能作为过渡实现电能与机械能之间的转化，其优点是驱动电压低和变形大，但响应较慢且能量密度低，因此难以适用于动态工况下的吸能部件。电场型电活性聚合物可进一步分为压电型和介电型：压电型电活性聚合物在电场激励下材料本身会产生电致应力，直接实现电能与机械能之间的转换，但变形较小且效率较低；介电型电活性聚合物在电场激励下通过两侧电极产生的静电库仑力实现能量转换，其特点是响应快、变形大(最大面积应变可达380％)、能量密度较大且能量转换效率很高(最高达90％)，基于上述特点，介电型电活性聚合物通常也被成为人造肌肉。介电型电活性聚合物的另一个优点是成本便宜，因此有望得到广泛的应用。介电型电活性聚合物主要承受拉伸载荷而在厚度方向的变化很小，因此在应用为致动器、传感器时通常需要一定的支撑结构将其拉伸变形转变为沿某一条轴线的运动。将介电型电活性聚合物应用于负泊松比结构中则是一种全新的思路。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于介电型电活性聚合物的双波浪形负泊松比结构，通过介电型电活性聚合物的应用实现双波浪形负泊松比结构可变，使双波浪形负泊松比结构在不同的电压激励下具有不同力学性能，并且能够同时实现弹性元件、减振元件、传感器元件、致动器元件和能量回收元件的集成化、电子化、信息化和智能化。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于介电型电活性聚合物的双波浪形负泊松比结构，由双波浪形负泊松比元胞阵列而成；

所述双波浪形负泊松比元胞包含骨骼和肌腱，所述肌腱设置在骨骼上，且所述骨骼和肌腱均呈U形曲线状；