介电型电活性聚合物(EAP)驱动器失效行为分析

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSlnlcaFeb．252012V01．33No．2347．353ISSN1000-6893ON11-1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000—6893(2012)02—0347—07介电型电活性聚合物(EAP)驱动器失效行为分析朱银龙，王化明*，赵东标南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016摘要，介电型电活性聚合物(EAP)驱动器在工作过程中，边界条件及驱动

2、电压的改变经常导致EAP薄膜发生起皱现象以及介电击穿，致使驱动器失去工作能力。为了保障驱动器的正常工作，避免失效行为的发生，对EAP驱动器的失效行为进行了研究。针对锥形驱动器，计算出不同驱动电压下驱动器EAP薄膜的变形情况以及其中的应力、应变和电场强度的分布情况。利用薄膜起皱判别方法，对驱动器的起皱行为进行预测，同时分析了预拉伸倍数对驱动器失效的影响。试验结果表明，EAP驱动器的理论临界起皱电压与理论分析比较吻合，预拉伸可以提高薄膜的机电稳定性能。研究结果可用于预测介电型EAP驱动器发生失效的临

3、界电压，有利于保障驱动器的安全工作。关键词：介电型EAPI驱动器；失效I起皱现象；介电击穿中图分类号：TB34文献标识码：A近年来，电活性聚合物(EAP)材料以其具有大变形(380％)、高能量质量比(3．4J／g)、高效率(60％～90％)和响应速度快等优点[1‘21引起了国内外学者的广泛关注。介电型EAP属于电活性聚合物的一种，目前针对介电型EAP的研究主要集中在移动机器人、医疗器械、光学仪器等[3’6]方面。EAP薄膜材料是一种软材料，具有零弯曲刚度，只可以承受拉应力，无法承受压力和弯矩。一

4、旦薄膜受到面内压力，很容易失稳，进而发生起皱现象。薄膜发生起皱以后，薄膜内部应力重新分布，同时产生了较大的面外变形，影响薄膜的力学性能，从而影响驱动器正常工作。另外，当驱动电场超过一定的临界值时，介电型EAP薄膜会被击穿，从而失去工作能力。起皱行为通常发生在介电击穿之前，因此对介电型EAP驱动器起皱行为的研究十分必要。针对EAP驱动器失效行为的研究，国内外学者已经做了一定的工作。哈佛大学的Suo等[7{]利用线性的弹性应变能方程对机电稳定性进行分析，建立了名义电场和名义电位移之间的关系，从理论上

5、验证了预拉伸有助于提高EAP稳定性这一结论，对影响EAP材料击穿的因素进行了分析。麻省理工学院的Plante[10]针对菱形、环形驱动器的失效行为进行了理论分析与试验研究，分析了驱动器工作速度对其失效行为的影响。哈尔滨工业大学的刘彦菊[1卜123等利用Monney-Riv—lin、Ogden形式的弹性应变能方程来分析EAP材料的稳定性，讨论了薄膜材料参数对其稳定性的影响。线性模型在描述诸如EAP薄膜等超弹性、大变形材料的力学行为时往往不够精确。圆环形驱动器用于研究比较方便，但无法输出力和功。相比

6、之下，锥形驱动器的输出性能更佳。本文采用Yeoh形式的应变能方程，对锥形驱动器的失效行收稿日期：2011·05·18；退修日期：2011．06．18；录用日期：2011·08-01；网络出版时间：2011-08—1011：18网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detaB／11．1929．V．20110810．1118．005．htmIDOI：CNKI：11-1929／V．20110810．1118．005基金项目：国家自然科学基金(50975139)；机器人学国家重点实验室开放基

7、金(RL0200912)；江苏省自然科学基金(BK2011735)*通讯作者．Tel：025—84892503E—mail：hmwang@nuaa．edu．cn葶{蓐撂式IZhuYL，WangHM，ZhaoDB．Failureanalysisofdielectricelectroactivepolymer(EAP)actuator．ActaAeronauticaetAstro—nauticaSinfca．2012．33(2)：347-353．朱银龙．I忧磅．赵东标i介电型电活性聚合物(EAP)驱

8、动器失效行为分析航空学报．2012．33(2)：347-353．航空学报为进行了深入研究，对驱动器的安全工作范围进行了理论预测。1驱动器的失效模式及其判据介电型EAP驱动器一般有3种失效方式[10

9、：机械强度、介电击穿强度与起皱现象。诸如材料缺陷、应力集中等局部影响导致的失效不在本文讨论范围以内。驱动器的机械强度失效主要由EAP薄膜的材料强度决定，当薄膜内部的分子链状结构被拉伸到其允许范围以外，薄膜发生撕裂。机械强度可以通过试验确定，常用的VHB4910薄膜一般在拉伸到其薄膜初始面积的36倍时发