eng
Выпуск #6/2022
В.С.Щербакова, А.П.Ротарь, А.М.Базиненков, Д.А.Иванова, В.П.Михайлов
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АКТУАТОРОВ НА ОСНОВЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЭЛАСТОМЕРОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АКТУАТОРОВ НА ОСНОВЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЭЛАСТОМЕРОВ
Просмотры: 1106
DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.6.360.366
Даны результаты экспериментальных исследований характеристик, влияющих на перемещение актуаторов на основе диэлектрических эластомеров под действием внешнего электрического поля. Выявлено влияние концентрации наполнителей: титаната бария, обожженного и необожженного кварца на модуль упругости и деформацию диэлектрического эластомера при высоком управляющем напряжении.
Даны результаты экспериментальных исследований характеристик, влияющих на перемещение актуаторов на основе диэлектрических эластомеров под действием внешнего электрического поля. Выявлено влияние концентрации наполнителей: титаната бария, обожженного и необожженного кварца на модуль упругости и деформацию диэлектрического эластомера при высоком управляющем напряжении.
Теги: actuator deformation dielectric elastomer electric field modulus of elasticity актуатор деформация диэлектрический эластомер модуль упругости электрическое поле
Получено: 12.09.2022 г. | Принято: 19.09.2022 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.6.360.366
Научная статья
Исследование характеристик актуаторов на основе диэлектрических эластомеров
В.С.Щербакова1, студент, ORCID: 0000-0002-5826-4709
А.П.Ротарь1, студент, ORCID: 0000-0002-2251-4550
А.М.Базиненков1, к.т.н., доц., ORCID: 0000-0003-0845-2290
Д.А.Иванова1, аспирант, ORCID: 0000-0002-8733-207X
В.П.Михайлов1, д.т.н., ORCID: 0000-0003-3638-7932 / mikhailov@bmstu.ru
Аннотация. Даны результаты экспериментальных исследований характеристик, влияющих на перемещение актуаторов на основе диэлектрических эластомеров под действием внешнего электрического поля. Выявлено влияние концентрации наполнителей: титаната бария, обожженного и необожженного кварца на модуль упругости и деформацию диэлектрического эластомера при высоком управляющем напряжении.
Ключевые слова: актуатор, диэлектрический эластомер, деформация, модуль упругости, электрическое поле
Для цитирования: В.С. Щербакова, А.П. Ротарь, А.М. Базиненков, Д.А. Иванова, В.П. Михайлов. Исследование характеристик актуаторов на основе диэлектрических эластомеров. НАНОИНДУСТРИЯ. 2022. Т. 15, № 6. С. 360–366. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.6.360.366
Received: 12.09.2022 | Accepted: 19.09.2022 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.6.360.366
Original paper
Research of the actuators characteristics based on dielectric elastomers
V.S.Shcherbakova1, student, ORCID: 0000-0002-5826-4709
A.P.Rotar’1, student, ORCID: 0000-0002-2251-4550
A.M.Bazinenkov1, Cand. of Sci. (Tech), Associate Professor, ORCID: 0000-0003-0845-2290
D.A.Ivanova1, Postgraduate, ORCID: 0000-0002-8733-207X
V.P.Mikhailov1, Doct. of Sci. (Tech), Prof., ORCID: 0000-0003-3638-7932 / mikhailov@bmstu.ru
Abstract. The results of experimental studies of the characteristics affecting the movement of actuators based on dielectric elastomers under the action of an external electric field are given. The influence of the concentration of fillers: barium titanate, burnt and unburned quartz on the modulus of elasticity and deformation of the dielectric elastomer at high control voltage was revealed.
Keywords: actuator, dielectric elastomer, deformation, modulus of elasticity, electric field
For citation: V.S. Shcherbakova, A.P. Rotar’, A.M. Bazinenkov, D.A. Ivanova, V.P. Mikhailov. Research of the actuators characteristics based on dielectric elastomers. NANOINDUSTRY. 2022. V. 15, no. 6. PP. 360–366. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.6.360.366
ВВЕДЕНИЕ
Актуаторы на основе "интеллектуальных" или "умных" материалов используются для точного перемещения объектов (обрабатываемых изделий, инструментов) в микро- и нанотехнологическом оборудовании (литографических установках, сканирующих зондовых и электронных микроскопах и др.). К ним относятся, в числе прочих, различные гидравлические устройства на основе управляемых жидкостей, которые обладают свойством быстрого и управляемого перехода от жидкого состояния до пластичного и твердого под действием внешних полей [1], актуаторы на основе магнитострикционных материалов, которые отличаются компактностью и высокой мощностью [2], приводы с применением магнитореологических эластомеров [3] и пьезоэлектрических материалов [4]. Последние получили наибольшее распространение в качестве механизмов микро- и наноперемещений. По своему принципу действия пьезоэлектрики схожи с диэлектрическими эластомерами (ДЭ), которые являются подгруппой электроактивных полимеров. Актуаторы на основе диэлектрических эластомеров – это электромеханические преобразователи, которые работают за счет деформации ДЭ, когда к ним прикладывается внешнее электрическое поле. За счет таких характеристик, как низкий модуль упругости, широкий диапазон создаваемых перемещений и быстродействие, применение ДЭ позволяет создавать принципиально новые устройства перемещений с улучшенными характеристиками.
Основным показателем, характеризующим эффективность применения ДЭ является диапазон создаваемых деформаций под действием внешнего электрического поля. Установлено, что одной из ключевых характеристик, влияющих на деформацию, является диэлектрическая проницаемость, которую можно контролировать с помощью количества диэлектрического наполнителя в составе ДЭ. Так, например, в работе [5] выявлено что добавление нанопластин графена в ДЭ значительно улучшило электрические и механические характеристики образца по сравнению с образцом из чистого каучука, увеличив деформацию с 1,3% до 2,4%. Концентрация наполнителя составляла 23%, однако технология смешивания и изготовления компонентов достаточно сложно реализуется, требует специального оборудования и занимает длительное время [6, 7].
В качестве матрицы часто используют полимеры на основе акрила, поскольку они демонстрируют большие деформации до 380% и обладают относительно высокой диэлектрической проницаемостью (≈4,7). Однако из-за высокой вязкости акрил демонстрирует медленный отклик и продолжительное время восстановления. Чтобы обойти эти проблемы, вместо акрила часто используются материалы с низкой вязкостью, такие как силиконовый каучук. Диэлектрическая проницаемость таких материалов ниже (≈2,8), поэтому необходимо подобрать наполнитель с наиболее высоким показателем диэлектрической проницаемости [8]. Одним из высокоэффективных наполнителей являются углеродные нанотрубки, модифицирование которыми способно обеспечить увеличение диэлектрической проницаемости и снижение модуля упругости, однако технология изготовления такого ДЭ чрезвычайно дорога [9]. За счет пьезоэлектрических свойств, высокой диэлектрической проницаемости и низких диэлектрических потерь, хорошо совместимым с упругой матрицей считается титанат бария [10, 11].
эксперимент
В работе в качестве базового наполнителя для выявления влияния состава на создаваемые под действием внешнего электрического поля перемещения ДЭ использован титанат бария. Также схожим по пьезоэлектрическим свойствам и механическим характеристикам, но при этом более доступным, наполнителем является кварц, который использовался в качестве альтернативы выбранному наполнителю. Таким образом, изготовлено 10 партий образцов с разной массовой концентрацией наполнителя, в качестве которого выступали обожженный и необожженный кварц и титанат бария. Исследуемые образцы имели состав, представленный в табл.1. Партия № 10 наполнителя не имеет. В качестве матрицы использовался силикон марки СИЭЛ 159-322А.
Модуль упругости оказывает значимое влияние на характеристики ДЭ. Повышение жесткости способствует уменьшению деформации под действием электрического поля. Для выявления влияния упругости образцов на создаваемые перемещения необходимо знать модуль упругости каждого из них. Для исследования модуля упругости ДЭ в каждой партии изготовлено по два идентичных образца. Испытания происходили на гидравлическом прессе Instron DX600. Перед растяжением образец устанавливался в специальные тиски, где находился в свободном состоянии. С фиксированной нагрузкой растяжение происходило со скоростью 10 мм/мин.
В результате измерений получены графики зависимости создаваемых напряжений σ от относительного удлинения ε. На рис.1 представлены полученные зависимости растяжения для образцов с титанатом бария, который при повышении концентрации показал наибольший рост модуля упругости.
Так как в каждой партии было изготовлено по 2 образца на сжатие, и по 2 на растяжение, то более достоверным считался их средний модуль упругости. Результаты со значениями модуля упругости для растяжения и сжатия представлены в табл.2.
Очевидно, что с увеличением концентрации наполнителя увеличивается жесткость эластомеров. При исследовании образцов на растяжение и при повышении концентрации наполнителя с 33% до 66% у модифицированных кварцем модуль упругости увеличился в 5,75 раз, у модифицированных обожженным кварцем в 4,2 раза, у модифицированных титанатом бария в 1,7 раз.
Для образцов на сжатие с кварцем при увеличении концентрации с 33% до 66% модуль упругости увеличился в 3,5 раза, с обожженным кварцем – в 4 раза, с титанатом бария – в 2 раза. Таким образом, модификация кварцем повышает модуль упругости в среднем в 2 раза эффективнее титаната бария.
Из упомянутых ранее образцов для каждой партии изготовлено с помощью склеивания эластомеров с электродами по 4 актуатора с разным количеством слоев: однослойный, двуслойный, четырехслойный и восьмислойный. Данные образцы представлены на рис.2.
С помощью разработанного лабораторного стенда в МГТУ им. Н.Э.Баумана были проведены измерения перемещения изготовленных актуаторов на основе ДЭ с разной концентрацией и разным количеством слоев. На образцы подавалось напряжение до 3000 В с высоковольтного блока питания.
Схема стенда изображена на рис.3. Напряжение подавалось с помощью высоковольтного блока питания (ВВБП) на делитель напряжений (ДН), который подключался к электродам испытуемого образца. Сам образец находился на изолированной поверхности, над которой устанавливался емкостной датчик положения, подключенный к блоку управления датчиком положения (БУДП). Датчик фиксировал положение исследуемого объекта, пока подаваемое с блока питание напряжение ступенчато увеличивалось от 0 до 3000 В с шагом в 170 В.
На рис.4 представлены зависимости перемещения актуаторов с наполнителем из кварца от подаваемого напряжения при концентрации 50%. При увеличении концентрации кварца от 33% до 66% максимально возможное перемещение увеличилось в 2 раза – с 5 до 10 мкм.
При повышении концентрации обожженного кварца в ДЭ с 33% до 66% перемещение увеличивается в 2 раза с 3,5 до 7 мкм, что говорит о положительном влиянии на деформацию концентрации наполнителя. У зависимостей для образцов с титанатом бария в качестве наполнителя аналогичной тенденции не прослеживается. Перемещения однослойного актуатора меняются незначительно в зависимости от концентрации. Вероятнее всего, причина в неизбежных воздушных зазорах между электродами и дисками ДЭ, искажающими экспериментальные данные и вносящие неопределенность. Однако прослеживается тенденция увеличения перемещения с увеличением количества слоев ДЭ в актуаторе.
Деформация ДЭ во внешнем электрическом поле происходит в результате действия различных эффектов: электростатического притяжения электродов, ориентации и смещения дипольных частиц наполнителя при действии внешнего поля. Изучение влияния этих факторов на характеристики актуаторов является задачей дальнейших исследований.
ВЫВОДЫ
Характеристики диэлектрических эластомеров зависят в первую очередь от состава композита, характеристик упругой среды – матрицы и наполнителя. К ключевому фактору относится концентрация наполнителя, влияющая на деформацию и модуль упругости диэлектрических эластомеров.
Установлено, что у образцов с кварцем при повышении концентрации наполнителя (здесь и далее концентрация массовая) от 33% до 66% создаваемая деформация увеличивалась в 2 раза. Для образцов с титанатом бария в качестве наполнителя аналогичной тенденции не прослеживается. При исследовании образцов на растяжение и сжатие и при повышении концентрации наполнителя с 33% до 66% у модифицированных кварцем модуль упругости увеличился соответственно в 5,75 и 3,5 раза, у модифицированных обожженным кварцем – в 4,2 и 4 раза, у модифицированных титанатом бария – в 1,7 и 2 раза.
Массовая концентрация 66% для исследуемых наполнителей является наиболее эффективной с точки зрения максимальной деформации диэлектрического эластомера во внешнем электрическом поле.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Anderson E.H., Bales G.L., White E.V. (2003). Application of smart material-hydraulic actuators. Smart Structures and Materials 2003: Industrial and Commercial Applications of Smart Structures.
Apicella V., Clemente C.S., Davino D., Leone D., Visone C. (2019). Review of Modeling and Control of Magnetostrictive Actuators. Actuators, 8(2), 45. https://doi.org/10.3390/act8020045
Mikhailov V.P., Bazinenkov A.M., Kazakov A.V. Active vibration isolation of nanotechnology equipment // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 709 (2020) 044046 https://doi.org/10.1088/1757-899X/709/4/044046
Gao X., Yang J., Wu J., Xin X., Li Z., Yuan X., Dong S. Piezoelectric Actuators and Motors: Materials, Designs, and Applications. Advanced Materials Technologies, 2019.
Yang D., Kong X., Ni Y., Ruan M., Huang S., Shao P., Zhang L. (2019). Improved Mechanical and Electrochemical Properties of XNBR Dielectric Elastomer Actuator by Poly(dopamine) Functionalized Graphene Nano-Sheets. Polymers, 11(2), 218.
Qiang J., Chen H., Li B. (2012). Experimental study on the dielectric properties of polyacrylate dielectric elastomer. Smart Materials and Structures, 21(2), 025006.
Sheng J., Chen H., Qiang J., Li B., Wang Y. (2012). Thermal, Mechanical, and Dielectric Properties of a Dielectric Elastomer for Actuator Applications. Journal of Macromolecular Science, Part B, 51(10), 2093–2104.
Tan M.W.M., Thangavel G., Lee P.S. Enhancing dynamic actuation performance of dielectric elastomer actuators by tuning viscoelastic effects with polar crosslinking. NPG Asia Materials, 2019.
Galantini F., Bianchi S., Castelvetro V., Gallone G. (2013). Functionalized carbon nanotubes as a filler for dielectric elastomer composites with improved actuation performance. Smart Materials and Structures, 22(5), 055025.
Yang D., Ge F., Tian M., Ning N., Zhang L., Zhao C., Luan Y. (2015). Dielectric elastomer actuator with excellent electromechanical performance using slide-ring materials/barium titanate composites. Journal of Materials Chemistry A, 3(18), 9468–9479.
Yang D., Huang S., Ruan M., Li S., Wu Y., Guo W., Zhang L. (2018). Improved electromechanical properties of silicone dielectric elastomer composites by tuning molecular flexibility. Composites Science and Technology, 155, 160–168.
Научная статья
Исследование характеристик актуаторов на основе диэлектрических эластомеров
В.С.Щербакова1, студент, ORCID: 0000-0002-5826-4709
А.П.Ротарь1, студент, ORCID: 0000-0002-2251-4550
А.М.Базиненков1, к.т.н., доц., ORCID: 0000-0003-0845-2290
Д.А.Иванова1, аспирант, ORCID: 0000-0002-8733-207X
В.П.Михайлов1, д.т.н., ORCID: 0000-0003-3638-7932 / mikhailov@bmstu.ru
Аннотация. Даны результаты экспериментальных исследований характеристик, влияющих на перемещение актуаторов на основе диэлектрических эластомеров под действием внешнего электрического поля. Выявлено влияние концентрации наполнителей: титаната бария, обожженного и необожженного кварца на модуль упругости и деформацию диэлектрического эластомера при высоком управляющем напряжении.
Ключевые слова: актуатор, диэлектрический эластомер, деформация, модуль упругости, электрическое поле
Для цитирования: В.С. Щербакова, А.П. Ротарь, А.М. Базиненков, Д.А. Иванова, В.П. Михайлов. Исследование характеристик актуаторов на основе диэлектрических эластомеров. НАНОИНДУСТРИЯ. 2022. Т. 15, № 6. С. 360–366. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.6.360.366
Received: 12.09.2022 | Accepted: 19.09.2022 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.6.360.366
Original paper
Research of the actuators characteristics based on dielectric elastomers
V.S.Shcherbakova1, student, ORCID: 0000-0002-5826-4709
A.P.Rotar’1, student, ORCID: 0000-0002-2251-4550
A.M.Bazinenkov1, Cand. of Sci. (Tech), Associate Professor, ORCID: 0000-0003-0845-2290
D.A.Ivanova1, Postgraduate, ORCID: 0000-0002-8733-207X
V.P.Mikhailov1, Doct. of Sci. (Tech), Prof., ORCID: 0000-0003-3638-7932 / mikhailov@bmstu.ru
Abstract. The results of experimental studies of the characteristics affecting the movement of actuators based on dielectric elastomers under the action of an external electric field are given. The influence of the concentration of fillers: barium titanate, burnt and unburned quartz on the modulus of elasticity and deformation of the dielectric elastomer at high control voltage was revealed.
Keywords: actuator, dielectric elastomer, deformation, modulus of elasticity, electric field
For citation: V.S. Shcherbakova, A.P. Rotar’, A.M. Bazinenkov, D.A. Ivanova, V.P. Mikhailov. Research of the actuators characteristics based on dielectric elastomers. NANOINDUSTRY. 2022. V. 15, no. 6. PP. 360–366. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.6.360.366
ВВЕДЕНИЕ
Актуаторы на основе "интеллектуальных" или "умных" материалов используются для точного перемещения объектов (обрабатываемых изделий, инструментов) в микро- и нанотехнологическом оборудовании (литографических установках, сканирующих зондовых и электронных микроскопах и др.). К ним относятся, в числе прочих, различные гидравлические устройства на основе управляемых жидкостей, которые обладают свойством быстрого и управляемого перехода от жидкого состояния до пластичного и твердого под действием внешних полей [1], актуаторы на основе магнитострикционных материалов, которые отличаются компактностью и высокой мощностью [2], приводы с применением магнитореологических эластомеров [3] и пьезоэлектрических материалов [4]. Последние получили наибольшее распространение в качестве механизмов микро- и наноперемещений. По своему принципу действия пьезоэлектрики схожи с диэлектрическими эластомерами (ДЭ), которые являются подгруппой электроактивных полимеров. Актуаторы на основе диэлектрических эластомеров – это электромеханические преобразователи, которые работают за счет деформации ДЭ, когда к ним прикладывается внешнее электрическое поле. За счет таких характеристик, как низкий модуль упругости, широкий диапазон создаваемых перемещений и быстродействие, применение ДЭ позволяет создавать принципиально новые устройства перемещений с улучшенными характеристиками.
Основным показателем, характеризующим эффективность применения ДЭ является диапазон создаваемых деформаций под действием внешнего электрического поля. Установлено, что одной из ключевых характеристик, влияющих на деформацию, является диэлектрическая проницаемость, которую можно контролировать с помощью количества диэлектрического наполнителя в составе ДЭ. Так, например, в работе [5] выявлено что добавление нанопластин графена в ДЭ значительно улучшило электрические и механические характеристики образца по сравнению с образцом из чистого каучука, увеличив деформацию с 1,3% до 2,4%. Концентрация наполнителя составляла 23%, однако технология смешивания и изготовления компонентов достаточно сложно реализуется, требует специального оборудования и занимает длительное время [6, 7].
В качестве матрицы часто используют полимеры на основе акрила, поскольку они демонстрируют большие деформации до 380% и обладают относительно высокой диэлектрической проницаемостью (≈4,7). Однако из-за высокой вязкости акрил демонстрирует медленный отклик и продолжительное время восстановления. Чтобы обойти эти проблемы, вместо акрила часто используются материалы с низкой вязкостью, такие как силиконовый каучук. Диэлектрическая проницаемость таких материалов ниже (≈2,8), поэтому необходимо подобрать наполнитель с наиболее высоким показателем диэлектрической проницаемости [8]. Одним из высокоэффективных наполнителей являются углеродные нанотрубки, модифицирование которыми способно обеспечить увеличение диэлектрической проницаемости и снижение модуля упругости, однако технология изготовления такого ДЭ чрезвычайно дорога [9]. За счет пьезоэлектрических свойств, высокой диэлектрической проницаемости и низких диэлектрических потерь, хорошо совместимым с упругой матрицей считается титанат бария [10, 11].
эксперимент
В работе в качестве базового наполнителя для выявления влияния состава на создаваемые под действием внешнего электрического поля перемещения ДЭ использован титанат бария. Также схожим по пьезоэлектрическим свойствам и механическим характеристикам, но при этом более доступным, наполнителем является кварц, который использовался в качестве альтернативы выбранному наполнителю. Таким образом, изготовлено 10 партий образцов с разной массовой концентрацией наполнителя, в качестве которого выступали обожженный и необожженный кварц и титанат бария. Исследуемые образцы имели состав, представленный в табл.1. Партия № 10 наполнителя не имеет. В качестве матрицы использовался силикон марки СИЭЛ 159-322А.
Модуль упругости оказывает значимое влияние на характеристики ДЭ. Повышение жесткости способствует уменьшению деформации под действием электрического поля. Для выявления влияния упругости образцов на создаваемые перемещения необходимо знать модуль упругости каждого из них. Для исследования модуля упругости ДЭ в каждой партии изготовлено по два идентичных образца. Испытания происходили на гидравлическом прессе Instron DX600. Перед растяжением образец устанавливался в специальные тиски, где находился в свободном состоянии. С фиксированной нагрузкой растяжение происходило со скоростью 10 мм/мин.
В результате измерений получены графики зависимости создаваемых напряжений σ от относительного удлинения ε. На рис.1 представлены полученные зависимости растяжения для образцов с титанатом бария, который при повышении концентрации показал наибольший рост модуля упругости.
Так как в каждой партии было изготовлено по 2 образца на сжатие, и по 2 на растяжение, то более достоверным считался их средний модуль упругости. Результаты со значениями модуля упругости для растяжения и сжатия представлены в табл.2.
Очевидно, что с увеличением концентрации наполнителя увеличивается жесткость эластомеров. При исследовании образцов на растяжение и при повышении концентрации наполнителя с 33% до 66% у модифицированных кварцем модуль упругости увеличился в 5,75 раз, у модифицированных обожженным кварцем в 4,2 раза, у модифицированных титанатом бария в 1,7 раз.
Для образцов на сжатие с кварцем при увеличении концентрации с 33% до 66% модуль упругости увеличился в 3,5 раза, с обожженным кварцем – в 4 раза, с титанатом бария – в 2 раза. Таким образом, модификация кварцем повышает модуль упругости в среднем в 2 раза эффективнее титаната бария.
Из упомянутых ранее образцов для каждой партии изготовлено с помощью склеивания эластомеров с электродами по 4 актуатора с разным количеством слоев: однослойный, двуслойный, четырехслойный и восьмислойный. Данные образцы представлены на рис.2.
С помощью разработанного лабораторного стенда в МГТУ им. Н.Э.Баумана были проведены измерения перемещения изготовленных актуаторов на основе ДЭ с разной концентрацией и разным количеством слоев. На образцы подавалось напряжение до 3000 В с высоковольтного блока питания.
Схема стенда изображена на рис.3. Напряжение подавалось с помощью высоковольтного блока питания (ВВБП) на делитель напряжений (ДН), который подключался к электродам испытуемого образца. Сам образец находился на изолированной поверхности, над которой устанавливался емкостной датчик положения, подключенный к блоку управления датчиком положения (БУДП). Датчик фиксировал положение исследуемого объекта, пока подаваемое с блока питание напряжение ступенчато увеличивалось от 0 до 3000 В с шагом в 170 В.
На рис.4 представлены зависимости перемещения актуаторов с наполнителем из кварца от подаваемого напряжения при концентрации 50%. При увеличении концентрации кварца от 33% до 66% максимально возможное перемещение увеличилось в 2 раза – с 5 до 10 мкм.
При повышении концентрации обожженного кварца в ДЭ с 33% до 66% перемещение увеличивается в 2 раза с 3,5 до 7 мкм, что говорит о положительном влиянии на деформацию концентрации наполнителя. У зависимостей для образцов с титанатом бария в качестве наполнителя аналогичной тенденции не прослеживается. Перемещения однослойного актуатора меняются незначительно в зависимости от концентрации. Вероятнее всего, причина в неизбежных воздушных зазорах между электродами и дисками ДЭ, искажающими экспериментальные данные и вносящие неопределенность. Однако прослеживается тенденция увеличения перемещения с увеличением количества слоев ДЭ в актуаторе.
Деформация ДЭ во внешнем электрическом поле происходит в результате действия различных эффектов: электростатического притяжения электродов, ориентации и смещения дипольных частиц наполнителя при действии внешнего поля. Изучение влияния этих факторов на характеристики актуаторов является задачей дальнейших исследований.
ВЫВОДЫ
Характеристики диэлектрических эластомеров зависят в первую очередь от состава композита, характеристик упругой среды – матрицы и наполнителя. К ключевому фактору относится концентрация наполнителя, влияющая на деформацию и модуль упругости диэлектрических эластомеров.
Установлено, что у образцов с кварцем при повышении концентрации наполнителя (здесь и далее концентрация массовая) от 33% до 66% создаваемая деформация увеличивалась в 2 раза. Для образцов с титанатом бария в качестве наполнителя аналогичной тенденции не прослеживается. При исследовании образцов на растяжение и сжатие и при повышении концентрации наполнителя с 33% до 66% у модифицированных кварцем модуль упругости увеличился соответственно в 5,75 и 3,5 раза, у модифицированных обожженным кварцем – в 4,2 и 4 раза, у модифицированных титанатом бария – в 1,7 и 2 раза.
Массовая концентрация 66% для исследуемых наполнителей является наиболее эффективной с точки зрения максимальной деформации диэлектрического эластомера во внешнем электрическом поле.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Anderson E.H., Bales G.L., White E.V. (2003). Application of smart material-hydraulic actuators. Smart Structures and Materials 2003: Industrial and Commercial Applications of Smart Structures.
Apicella V., Clemente C.S., Davino D., Leone D., Visone C. (2019). Review of Modeling and Control of Magnetostrictive Actuators. Actuators, 8(2), 45. https://doi.org/10.3390/act8020045
Mikhailov V.P., Bazinenkov A.M., Kazakov A.V. Active vibration isolation of nanotechnology equipment // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 709 (2020) 044046 https://doi.org/10.1088/1757-899X/709/4/044046
Gao X., Yang J., Wu J., Xin X., Li Z., Yuan X., Dong S. Piezoelectric Actuators and Motors: Materials, Designs, and Applications. Advanced Materials Technologies, 2019.
Yang D., Kong X., Ni Y., Ruan M., Huang S., Shao P., Zhang L. (2019). Improved Mechanical and Electrochemical Properties of XNBR Dielectric Elastomer Actuator by Poly(dopamine) Functionalized Graphene Nano-Sheets. Polymers, 11(2), 218.
Qiang J., Chen H., Li B. (2012). Experimental study on the dielectric properties of polyacrylate dielectric elastomer. Smart Materials and Structures, 21(2), 025006.
Sheng J., Chen H., Qiang J., Li B., Wang Y. (2012). Thermal, Mechanical, and Dielectric Properties of a Dielectric Elastomer for Actuator Applications. Journal of Macromolecular Science, Part B, 51(10), 2093–2104.
Tan M.W.M., Thangavel G., Lee P.S. Enhancing dynamic actuation performance of dielectric elastomer actuators by tuning viscoelastic effects with polar crosslinking. NPG Asia Materials, 2019.
Galantini F., Bianchi S., Castelvetro V., Gallone G. (2013). Functionalized carbon nanotubes as a filler for dielectric elastomer composites with improved actuation performance. Smart Materials and Structures, 22(5), 055025.
Yang D., Ge F., Tian M., Ning N., Zhang L., Zhao C., Luan Y. (2015). Dielectric elastomer actuator with excellent electromechanical performance using slide-ring materials/barium titanate composites. Journal of Materials Chemistry A, 3(18), 9468–9479.
Yang D., Huang S., Ruan M., Li S., Wu Y., Guo W., Zhang L. (2018). Improved electromechanical properties of silicone dielectric elastomer composites by tuning molecular flexibility. Composites Science and Technology, 155, 160–168.
Отзывы читателей
