[發(fā)明專利]基于介電型電活性聚合物的內(nèi)凹波浪形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710422193.3
• 申請日: 2017-06-07
• 公開（公告）號: CN107276450B
• 公開（公告）日: 2019-04-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王源隆;趙萬忠;周冠;王春燕
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: H02N1/00
• 分類號: H02N1/00;F16F15/02;G01L1/00
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務(wù)所 32237
• 代理人: 賀翔

本發(fā)明公開了一種基于介電型電活性聚合物的內(nèi)凹波浪形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)，由內(nèi)凹波浪形負(fù)泊松比元胞陣列，該元胞分別由波浪形肌腱（101?105和106?110）和骨骼（111和112）構(gòu)成。肌腱由介電型電活性聚合物制成，為一夾芯板結(jié)構(gòu)，其中夾芯材料為介電彈性體，兩側(cè)為柔性電極，骨骼的楊氏模量比肌腱材料大。上下側(cè)肌腱上下表面的柔性電極分別與高壓直流電源113和114的正負(fù)極連接，其電壓以及通路開路狀態(tài)可調(diào)。將內(nèi)凹波浪形負(fù)泊松比元胞進(jìn)行陣列，可構(gòu)成內(nèi)凹波浪形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)。由于介電型電活性聚合物的機(jī)械狀態(tài)和靜電狀態(tài)是相互耦合的，因此能實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能之間的相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)內(nèi)凹波浪形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)實(shí)時可變、致動、能量回收和傳感等功能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種內(nèi)凹波浪形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種基于介電型電活性聚合物的內(nèi)凹波浪形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

負(fù)泊松比(Negative Poisson’s Ratio,NPR)結(jié)構(gòu)是一類具有獨(dú)特力學(xué)性能的新型結(jié)構(gòu)，在受壓時會發(fā)生側(cè)向收縮而不是側(cè)向膨脹，因此材料會自動集中于加載處從而能夠更有效地承受載荷，結(jié)構(gòu)的剛度也會隨著載荷的增加而非線性增大，因此負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)能夠更加充分地利用材料的力學(xué)性能。負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能與所使用材料的力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)，經(jīng)過一定的材料和參數(shù)設(shè)計，負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)能夠同時具有優(yōu)異的吸能效率和阻尼性能，在一定程度上可以同時實(shí)現(xiàn)彈性元件和減振元件的作用。然而當(dāng)材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)確定時，負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的剛度、阻尼等基本力學(xué)性能也隨之確定，無法同時滿足不同載荷和激勵作用下的性能最優(yōu)。例如在應(yīng)用于吸能與減振結(jié)構(gòu)時，若施加的載荷較小，負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的變形較小無法達(dá)到最大的工作行程，使得峰值力無法降低；而當(dāng)載荷較大時，負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的變形很大并且超過了最大行程，則峰值力在之后也會大幅度的增加。因此負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的吸能和減振性能還存在著進(jìn)一步提高的空間。而如果負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能實(shí)時可變，則在不同載荷工況下，都能夠完全利用結(jié)構(gòu)的最大行程，在保證吸能效率的情況下能夠最大程度降低峰值力，因此設(shè)計一種力學(xué)性能實(shí)時可變的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)具有重大意義。

電活性聚合物是一類在電場和電壓激勵下可以產(chǎn)生大幅度位移和載荷變化的新型柔性功能材料，此外，其位移和載荷情況的改變也會引起電場和電壓的顯著變化，因此電活性聚合物的載荷、位移、電場和電壓狀態(tài)是相互耦合的，其中任一狀態(tài)的改變將會引起其他某一個參數(shù)狀態(tài)或某幾個參數(shù)狀態(tài)的變化。電活性聚合物主要可分為離子型和電場型兩大類：離子型電活性聚合物是以化學(xué)能作為過渡實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化，其優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動電壓低和變形大，但響應(yīng)較慢且能量密度低，因此難以適用于動態(tài)工況下的吸能部件。電場型電活性聚合物可進(jìn)一步分為壓電型和介電型：壓電型電活性聚合物在電場激勵下材料本身會產(chǎn)生電致應(yīng)力，直接實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換，但變形較小且效率較低；介電型電活性聚合物在電場激勵下通過兩側(cè)電極產(chǎn)生的靜電庫侖力實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，其特點(diǎn)是響應(yīng)快、變形大(最大面積應(yīng)變可達(dá)380％)、能量密度較大且能量轉(zhuǎn)換效率很高(最高達(dá)90％)，基于上述特點(diǎn)，介電型電活性聚合物通常也被成為人造肌肉。介電型電活性聚合物的另一個優(yōu)點(diǎn)是成本便宜，因此有望得到廣泛的應(yīng)用。介電型電活性聚合物主要承受拉伸載荷而在厚度方向的變化很小，因此在應(yīng)用為致動器、傳感器時通常需要一定的支撐結(jié)構(gòu)將其拉伸變形轉(zhuǎn)變?yōu)檠啬骋粭l軸線的運(yùn)動。將介電型電活性聚合物應(yīng)用于負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)中則是一種全新的思路。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對背景技術(shù)中所涉及到的缺陷，提供一種基于介電型電活性聚合物的內(nèi)凹波浪形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)，通過介電型電活性聚合物的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)內(nèi)凹波浪形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)可變，使內(nèi)凹波浪形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)在不同的電壓激勵下具有不同力學(xué)性能，并且能夠同時實(shí)現(xiàn)彈性元件、減振元件、傳感器元件、致動器元件和能量回收元件的集成化、電子化、信息化和智能化。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

基于介電型電活性聚合物的內(nèi)凹波浪形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)，由內(nèi)凹波浪形負(fù)泊松比元胞陣列而成；

所述內(nèi)凹波浪形負(fù)泊松比元胞包含左側(cè)骨骼、右側(cè)骨骼、上側(cè)肌腱和下側(cè)肌腱；