[发明专利]一种使圆形结构介电弹性体膜上产生相变转换的方法

说明书

本发明公开了一种使圆形结构介电弹性体膜上产生相变转换的方法，使用圆形硬质框架作为支撑，并选定VHB高分子聚合物材料作为介电高弹体薄膜；对膜上褶皱变换进行了运算处理，获取了该变换临界电压值；使用不同的通电区域面积，来判断不同的预拉伸值影响，若预拉伸值为1，则介电弹性膜上通电区域容易产生膨胀凸起现象；若预拉伸值在3以上时，则膜上易产生褶皱现象。根据不同的计算结果与现象进行结构优化设计；对于DE膜表面在通电情况下存在的不稳定现象，比如loss of tension和电击穿，进行数据获取。基于Gent模型对圆形介电高弹体膜进行了仿真计算，预拉伸率对介电弹性体的机电相变有着显著的影响。

技术领域

本发明属于相变转换方法技术领域，具体涉及一种使圆形结构介电弹性体膜上产生相变转换的方法。

背景技术

介电弹性体通过电压引起的不稳定性来实现大的的变形，在传感器中，介电弹性体膜随着厚度的减小，电场增加；如果这种正反馈在弹性体上应变-硬化传播，弹性体将会变得不稳定，从而引起很大的变形，甚至电击穿。适当结构设计的传感器可以利用这种输入不稳定性，在电击穿发生之前产生巨大的由电压引起的变形。

机电不稳定性也会引起机电相变，预拉伸状态下的介电弹性体膜在电压作用下被观察到多种类型的相变转换，其中较为常见的是膜上平坦区域和褶皱区域共存，主要原因是在一定的电压作用下，膜局部区域承受输入不稳定性从而变薄，且能够在输入不稳定条件下存在而不发生电击穿，同时变薄的区域又被周围较厚区域限制，从而褶皱现象在膜上变薄区域产生，随着电压的逐渐增大，膜上的电荷越来越多，弹性体上薄的区域逐渐替代了厚的区域，直至整张膜完全变薄，这种现象类似于热-气相变效应。机电相变也能被机械载荷显著的影响，比如，单轴力作用。相比之下，另外一种相变，即凸起和平滑部分共存，该现象容易发生在管状腔体上，凸起相变可以显著增强机电能量转换，机电能量转换周期在凸起与非凸起相变下比无相变状态下的装置高出数千倍，不过这还处于理论预测层面，需要得到实际的验证。

在现有的研究中，对于平坦区域与褶皱区域的共存状态的研究比较少而且较困难，因为褶皱区域样式复杂，或者在褶皱状态下薄膜经常遭受介电失效。

发明内容

本发明为了模仿生物的附着功能和表面皮肤的纹理，对软材料介电弹性体上的相变转换进行了研究。当介电弹性体膜受到径向力和逐渐递增的电压时，在介电失效之前会发生4种试验现象：膜上通电区域扩张，薄膜保持平坦直到破裂；从平坦状态转变为凸起状态；膜上褶皱部分和凸起部分共存；涂有电极区域完全转换为褶皱状态。无预拉伸时，薄膜在不断增大的电压作用下膨胀凸起，而褶皱现象一般出现在较大的预拉伸作用下。

具体的技术方案如下：

一种使圆形结构介电弹性体膜上产生相变转换的方法，利用介电高弹体驱动器技术和非线性算法进行相变转换，包括以下步骤：

步骤1：裁剪介电弹性体膜，然后预拉伸，粘连在硬质框架上，通过两个铜片连接到高压电，预拉伸区域面积的计算式为在介电弹性体薄膜的上下两个表面均匀涂抹柔性可伸缩电极，当该结构同时受到预拉伸力和电压作用时，异性电荷相互吸引，同性电荷相互排斥，弹性体的厚度会减小，面积显著扩大，最后变形到一种平衡状态；

步骤2：对步骤1得到的介电弹性体圆形膜结构，采用相机拍摄模式跟踪介电弹性体薄膜的驱动变化，并记录薄膜在不同外力作用下的面积变化：

步骤3：判断步骤2中检测到的面积变化；当预拉伸率λ为1时，介电高弹膜上产生膨胀凸起现象，当预拉伸率λ为3或以上时，膜上产生褶皱变化；

步骤4：对于一个柱坐标系，在变形状态下，圆形介电弹性体膜单元处在一个三维应力状态：σ_z，σ_r和σ_θ。理想应力和机械力平衡要求：