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1、第41卷第6期力学进展Vol.41No.62011年11月25日ADVANCESINMECHANICSNov.25,2011介电高弹聚合物理论∗;∗∗锁志刚†SchoolofEngineeringandAppliedSciences,KavliInstituteforNanobioScienceandTechnology,HarvardUniversity,Cambridge,MA02138,USA摘要软材料受刺激会发生变形,该变形会引起相应的功能,这种材料称为活性软材料(softactivematerial,SAM).本综述主要讨论介电高弹聚合物这一类活
2、性软材料.当介电高弹聚合物薄膜受到厚度方向的电压作用时,薄膜厚度减小同时面积增大,可导致超过100%的应变.介电高弹聚合物作为转换器被广泛应用,包括柔性机器人、智能光学器件、盲文显示屏、发电机等.本文综述了建立在连续介质力学和热力学框架内的、并且基于分子理论描述和经验观测的介电高弹聚合物理论.该理论耦合了大变形和电势,描述了非线性和非平衡行为,如力电失稳和黏弹性.采用该理论能够通过有限元方法模拟实际构型的转换器,计算力电能量转换的效率,给出电致大变形的可行途径.该理论有助于材料和器件设计.关键词活性软材料,介电高弹聚合物,力电失稳,大变形,转换器1引言种迅
3、速改变是通过成千上万的色素囊实现的,每个色素囊的外围都连接着几十块放射肌.通过收1.1柔性机械中的活性软材料缩或者放松这些肌肉,色素囊可以在极短的时间生物学和工程学的交叉融合带来了振奋人心里增加或者减小面积,一个膨胀开的色素囊的直的发现、发明和商业机会,所涉及的主要方向涵盖径可以达到1mm并显示不同的颜色,而一个收缩采用工程方法助推生物学研究、结合生物学和工的色素囊直径小到0.1mm,肉眼几乎看不见[1].程学去创新医疗方式,以及运用仿生学设计工程另一个例子,植物可以根据所含盐度的变化器件等.来调节通过木质部的水流率.这种流动调节是由工程上大部分机械都使用
4、硬材料,然而自然果胶(用来做果冻和果酱的一种多糖)控制的.果界中的各种机械却通常是柔性的.柔性为动植物胶是交联网状长链聚合物,这种网状结构可以吸的生命带来了什么?生命的一个显著特征就是能入大量的水分,膨大到其自身体积的几倍,形成一从环境中接收和处理信息,并产生运动.这些运动种水凝胶,而体积膨胀的变化量对应于盐度变化,引起不同的功能,远不止从一个地方移动到另外水凝胶体积的变化改变了木质部微管的大小,从一个地方那样简单.例如,出于伪装和发出信号的而调控水的流率[2].目的,一只章鱼能够以惊人的速度改变其颜色,这上述关于动植物的例子非常有趣,而更多的收稿日期:2
5、011-06-07,修回日期:2011-09-06本综述基于最近六年的研究工作,属于活性软材料研究项目的一部分,多次获得NSF(CMMI-0800161,活性软材料的大变形和失稳)URI(W911NF-04-1-0170,驻极体材料结构的设计和加工;W911NF-09-1-0476,多功能智能结构材料的创新设计与加工)和DARPA(W911NF0810143,可控物质911NF-10-1-0113,仿软体动物智能光子系统).这项工作和很多人合作而成,合作作者姓名出现在参考文献中列出的共同发表的文章中.本综述在完稿过程参考了SiegfriedBauer,L
6、uisDorfmann,ChristophKeplinger,GuggiKofod,AdrianKoh,GaborKovacs,LiwuLiu,EdoardoMazza,ArneSchmidt,CarmineTrimarco和JianZhu等多人的意见进行修改.ActaMechanicaSolidSinica惠允版权翻译此文(PublishedwithkindpermissionfromActaMechanicaSolidSinica,Volume6⃝c2010byActaMechanicaSolidSinica).yE-mail:suo@seas.h
7、arvard.edu第6期锁志刚:介电高弹聚合物理论731例子存在于我们周边和我们自身内部,包括眼睛料和柔性机械领域的发展,力学家必须革新实验的调节、心脏的跳动、声带发出声音、耳朵中的室和软件并发展合适的理论.声音等.这些生物柔性机械概括来说,可以受刺激这些生物现象以及良好的工程应用,推动了产生变形,而变形提供了某种功能(图1),把这种包括介电高弹聚合物[9-13]、弹性凝胶[14-19]、电功能和刺激联系在一起的是能够发生大变形的材活性聚合物[20-21]、pH值灵敏水凝胶[22-24]、温敏料,我们称这种材料为活性软材料(softactivema-水凝
8、胶[25]等不同活性软材料理论的发展.这些理terial,SAM)
