基于碳纳米管电极的介电弹性体堆叠型驱动器研究

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介电弹性体驱动器作为一种人工肌肉驱动器，以其能量密度大、变形量大和效率高等优点，在航空、机器人、医疗等领域有广泛的应用前景。介电弹性体薄膜通电时，在平面和厚度方向都有变形，利用不同方向的变形，可以制作不同类型的驱动器。由于仅需对拉伸的丙烯酸薄膜进行简单的处理，便可以获得平面位移驱动器，所以目前以这类驱动器研究为主。相比而言，厚度位移驱动器在输出力、寿命等方面性能更优。故本文对厚度位移驱动器进行了研究，其由尺寸相同并喷涂有柔性电极的丙烯酸薄膜堆叠而成，故也被称为堆叠型驱动器。
　　本文首先对互贯聚合物网络（interpenetrating polymer network，IPN）实验进行了研究。堆叠型驱动器的结构，决定了它只能使用不需要支撑机构的没有内应力的薄膜。为满足这一要求，本文中对拉伸率400％的丙烯酸薄膜VHB4910（3M）进行了IPN处理。在IPN实验过程中，对实验的药剂、流程、性能指标和成功标志进行了研究，对出现的问题进行了分析和解决，并针对弹性模量和拉伸率等因素，对实验进行了优化。处理后薄膜性能测试测试结果为：收缩率20%，弹性模量2.3MPa，电致变形率120%。
　　然后，采用单壁碳纳米管（single-walled carbon nanotube，SWNT）作为电极，一方面利用SWNT良好的导电性和容错性，另一方面覆盖有极薄的电极的薄膜，依然具有一定粘性，更好地满足堆叠的形式。为获得分散效果更好的SWNT溶液，以方便喷涂，本文引入超声探头作为分散方式。为了确定超声探头不会破坏SWNT的结构，通过扫描电镜和拉曼光谱对SWNT进行了观察和分析。然后，与传统超声清洗仪对比了分散效果，并通过电阻法和透光率法，对比引入超声探头后，手动喷涂和自动喷涂的均匀性差异。最后，通过原子力显微镜测得均匀电极的厚度在70nm左右。
　　最后，通过理论研究，分析了各设计参数对驱动器性能的影响，给出堆叠型驱动器设计参数选择的依据，并从制作误差和驱动器响应速度两个方面对绝缘区宽度和电极厚度进行了优化。通过设计辅助装置，给出了一种手工操作的驱动器制作方案，制得高度5.5mm的驱动器，通有4.4kV电压时，驱动器输出位移为1mm，输出力为2.02N。另外还对绕叠型驱动器进行了试制和问题分析。
　　本文在选择驱动器的主要材料，介电弹性体和柔性电极时，将没有内应力的IPN处理薄膜和性能优越的SWNT电极结合在一起，实现一种堆叠型驱动器制作。可以为IPN实验、SWNT喷涂和堆叠型驱动器的制作提供参考与指导。

著录项

作者
于江成;
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作者单位

哈尔滨工业大学;

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授予单位哈尔滨工业大学;
学科机械工程
授予学位硕士
导师姓名赵建文;
年度 2014
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类 TP271.2;
关键词
叠型驱动器; 介电弹性体; 碳纳米管电极; 互贯聚合物网络;

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