基於介電型電活性聚合物的內凹六邊形負泊松比結構的製作方法

2023-10-09 15:19:49 4

本發明涉及一種內凹六邊形負泊松比結構，尤其涉及一種基於介電型電活性聚合物的內凹六邊形負泊松比結構。

背景技術：

負泊松比(negativepoisson’sratio,npr)結構是一類具有獨特力學性能的新型結構，在受壓時會發生側向收縮而不是側向膨脹，因此材料會自動集中於加載處從而能夠更有效地承受載荷，結構的剛度也會隨著載荷的增加而非線性增大，因此負泊松比結構能夠更加充分地利用材料的力學性能。負泊松比結構的力學性能與所使用材料的力學特性和結構參數密切相關，經過一定的材料和參數設計，負泊松比結構能夠同時具有優異的吸能效率和阻尼性能，在一定程度上可以同時實現彈性元件和減振元件的作用。然而當材料與結構參數確定時，負泊松比結構的剛度、阻尼等基本力學性能也隨之確定，無法同時滿足不同載荷和激勵作用下的性能最優。例如在應用於吸能與減振結構時，若施加的載荷較小，負泊松比結構的變形較小無法達到最大的工作行程，使得峰值力無法降低；而當載荷較大時，負泊松比結構的變形很大並且超過了最大行程，則峰值力在之後也會大幅度的增加。因此負泊松比結構的吸能和減振性能還存在著進一步提高的空間。而如果負泊松比結構的力學性能實時可變，則在不同載荷工況下，都能夠完全利用結構的最大行程，在保證吸能效率的情況下能夠最大程度降低峰值力，因此設計一種力學性能實時可變的負泊松比結構具有重大意義。

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、電場和電壓狀態是相互耦合的，其中任一狀態的改變將會引起其他某一個參數狀態或某幾個參數狀態的變化。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能作為過渡實現電能與機械能之間的轉化，其優點是驅動電壓低和變形大，但響應較慢且能量密度低，因此難以適用於動態工況下的吸能部件。電場型電活性聚合物可進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生電致應力，直接實現電能與機械能之間的轉換，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電極產生的靜電庫侖力實現能量轉換，其特點是響應快、變形大(最大面積應變可達380％)、能量密度較大且能量轉換效率很高(最高達90％)，基於上述特點，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點是成本便宜，因此有望得到廣泛的應用。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，因此在應用為致動器、傳感器時通常需要一定的支撐結構將其拉伸變形轉變為沿某一條軸線的運動。將介電型電活性聚合物應用於負泊松比結構中則是一種全新的思路。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是針對背景技術中所涉及到的缺陷，提供一種基於介電型電活性聚合物的內凹六邊形負泊松比結構，通過介電型電活性聚合物的應用實現內凹六邊形負泊松比結構可變，使內凹六邊形負泊松比結構在不同的電壓激勵下具有不同力學性能，並且能夠同時實現彈性元件、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。

本發明為解決上述技術問題採用以下技術方案：

基於介電型電活性聚合物的內凹六邊形負泊松比結構，由內凹六邊形負泊松比元胞陣列而成；

所述內凹六邊形負泊松比元胞包含左側骨骼、右側骨骼、上側肌腱和下側肌腱；

所述左側骨骼呈「>」形、右側骨骼呈「」形、右側骨骼呈「<」形；

所述上側肌腱、下側肌腱均呈直線狀，相互平行且長度相等；

所述上側肌腱的兩端分別和左側骨骼的上端、右側骨骼的上端固連，下側肌腱的兩端分別和左側骨骼的下端、右側肌腱的下端固連；

所述左側骨骼、右側骨骼的楊氏模量大於上側肌腱、下側肌腱的楊氏模量；

所述上側肌腱、下側肌腱採用介電型電活性聚合物，其兩側均接外部電壓。

圖1展示了內凹六邊形負泊松比元胞的二維截面示意圖，101至106均為為直線段，其中，101和102構成左側骨骼，103和104構成右側骨骼，105構成上側肌腱，106構成下側肌腱。

在內凹六邊形負泊松比元胞內部，101段上端與105段左端連接，102段下端與106段左端連接，103段上端與105段右端連接，104段下端與106段右端連接。連接方式可以採用膠粘的方式。

內凹六邊形負泊松比元胞中的骨骼101段與102段之間可採用倒角、倒圓角以及其他過渡方式直接連接，也可以採用鉸鏈的方式進行連接。

內凹六邊形負泊松比元胞中上下側肌腱部分105和106的介電型電活性聚合物的上下表面柔性電極分別與高壓直流電源107和108的正負極連接，根據具體需要，電源的電壓可進行調整，並且可接通或斷開該電路。

圖2展示了內凹六邊形負泊松比元胞的二維截面的結構參數示意圖，其中：左側骨骼和右側骨骼的厚度為tα，上側肌腱和下側肌腱的厚度為tβ；骨骼101段與x軸之間的夾角為α，由幾何關係知0＜α＜90°；元胞的有效高度為hc，為骨骼101段上端至骨骼102段下端之間的距離，其表示每一個元胞為整體結構提供的高度；元胞的有效寬度為wc，為骨骼101段下端中點與103段下端中點之間的距離，其表示每一個元胞為整體結構提供的寬度；高壓直流電源的電壓分別為φ1和φ2。

內凹六邊形負泊松比元胞中的左側骨骼和右側骨骼由於起到結構支撐作用，因此其楊氏模量比肌腱的楊氏模量大，可採用各類鋼材、合金材料、高分子聚合物、各類高強度纖維材料等。

圖3展示了內凹六邊形負泊松比元胞的一種三維示意圖，其為內凹六邊形負泊松比元胞的二維截面沿z軸方向拉伸而成，其沿z軸方向的深度為l。圖中301、302和303構成了肌腱層，其中301和303分別為介電型電活性聚合物上下表面的柔性電極，302為介電型電活性聚合物中的介電彈性體，帶有開關的直流電源φ1兩極分別連接在301和303上。

內凹六邊形負泊松比元胞的上側肌腱和下側肌腱的介電型電活性聚合物為一夾芯板結構，其中夾芯材料為介電彈性體，兩側為柔性電極，其中柔性電極材料的楊氏模量比介電彈性體的楊氏模量小得多，在滿足上述條件下，介電彈性體和柔性電極的材料可任意選擇。

圖4(a)展示了介電型電活性聚合物示意圖，為一夾芯板結構，其中夾芯材料為介電彈性體，可採用聚氨酯彈性體、矽膠、丙烯酸酯等材料。上下兩側為柔性電極，可採用電極碳粉、銀膏、金屬薄膜、碳脂、碳納米管、水凝膠電解質、石墨烯和導電彈性體等材料。介電型電活性聚合物在初始狀態，長l1，寬l2，厚t。介電型電活性聚合物材料中柔性電極材料的楊氏模量應當比介電彈性體小得多，以減小其對介電型電活性聚合物力學性能的影響。

圖4(b)展示了介電型電活性聚合物的機電變形示意圖，上下兩側柔性電極分別與一電壓為φ的高壓直流電源的兩極相連，此時介電型電活性聚合物類似於一個電容，電流無法穿過介電彈性體，因此上下兩側柔性電極處分別積累了±q電荷，產生靜電效應並形成庫侖力，從而壓縮介電彈性體並使之厚度減小至t，長度和寬度分別增大至l1和l2，此時介電型電活性聚合物在三個方向的受力狀態分別為p1、p2和p3。該系統中φ、q、p和t是相互耦合的狀態參數，其中任一狀態的改變均會影響其他三個狀態參數。

圖5展示了內凹六邊形負泊松比結構的一種二維截面以及變形示意圖，其中在結構橫向方向上包含的內凹六邊形負泊松比元胞個數定義為橫向元胞數，即沿x方向的元胞數；在結構縱向方向上包含的內凹六邊形負泊松比元胞個數定義為縱向元胞數，即沿y方向的元胞數。圖中實例的橫向元胞數為9，縱向元胞數為8。當內凹六邊形負泊松比結構承受y方向的壓縮載荷時，其在x方向會發生收縮變形，呈現負泊松比效應。為了更清晰的展示內凹六邊形負泊松比結構，圖中省略了電源系統。

在內凹六邊形負泊松比結構中，某一元胞與其上側元胞的連接方式為：101段上端與其上側元胞的102段下端直接相連，為一整片材料的不同區域；103段上端與其上側元胞的104段下端直接連接，為一整片材料的不同區域；105段與其上側元胞的106段共用邊。該元胞與其下側元胞的連接方式相同。

在內凹六邊形負泊松比結構中，某一元胞與其左上側元胞的連接方式為：101段與其左上側元胞的104段共用邊。該元胞與其右下側元胞的連接方式相同。

在內凹六邊形負泊松比結構中，某一元胞與其左下側元胞的連接方式為：102段與其左下側元胞的103段共用邊。該元胞與其右上側元胞的連接方式相同。

圖6展示了內凹六邊形負泊松比結構的一種三維示意圖，其為內凹六邊形負泊松比結構的二維截面沿z軸方向拉伸而成，其沿z軸方向的深度為l。為了更清晰的展示內凹六邊形負泊松比結構，圖中省略了電源系統。

內凹六邊形負泊松比結構還可以是其他形狀，譬如由內凹六邊形負泊松比元胞陣列而成的空心圓柱等等。

內凹六邊形負泊松比結構可作為緩衝和減振元件，是由本身負泊松比結構的非線性力學特性和超彈性材料的非線性力學特性所決定的。

內凹六邊形負泊松比結構的力學性能實時可變的原理為：當結構連接的電源電壓φ1和φ2增大時，肌腱層的介電型電活性聚合物兩側電極上積累的電荷增大，產生的靜電庫侖力也隨之增大，使介電型電活性聚合物的厚度減小，並使其面積增大，這將降低骨骼夾角α，改變了內凹六邊形負泊松比結構的結構參數；另一方面，電源電壓φ1和φ2增大時，肌腱材料的剛度降低，改變了內凹六邊形負泊松比結構的材料性能。因此內凹六邊形負泊松比結構在不同電激勵下具有不同的力學性能。

圖7展示了內凹六邊形負泊松比結構中機械力與電場力的關係。在平衡狀態，電場力與機械力相等。當結構中介電型電活性聚合物的電壓、電荷以及電容發生變化而使得電場力超過機械力時，如點1所示，為了達到平衡位置，則機械力持續增大，介電型電活性聚合物的厚度降低而面積增大，最終達到電場力與機械力的平衡，到達點2，在此過程中，部分電能轉換為機械能。另一方面，當結構的載荷和變形發生變化而使得機械力超過電場力時，如點3所示，為了達到平衡位置，則電場力持續增大，介電型電活性聚合物兩側電極的電壓升高，最終達到電場力與機械力的平衡，到達點4，在此過程中，部分機械轉換為電能。在圖中平衡狀態曲線的左上方區域，內凹六邊形負泊松比結構工作在致動器模式下，在平衡狀態曲線的右下方區域，則工作在能量回收(或稱發電機)或傳感器模式下。

內凹六邊形負泊松比結構在作為致動元件時，將電能轉換為機械能，其基本原理為：當結構未接入電源時，肌腱層的介電型電活性聚合物在載荷的作用下保持平衡。而當結構接入電源時，介電型電活性聚合物在電壓的作用下兩側電極積累電荷，產生的電場力沿厚度方向壓縮介電型電活性聚合物並使其面積增大，從而使內凹六邊形負泊松比結構發生一定量的位移，達到致動的功能。當結構接入的電源電壓φ以及承受的載荷p不同時，內凹六邊形負泊松比結構產生的位移也不同，從而實現不同的致動需求。

內凹六邊形負泊松比結構在作為能量回收元件時，將機械能轉換為電能。圖8展示了內凹六邊形負泊松比結構在用作能量回收元件的典型機電循環的電壓和電荷變化圖，圖9則展示了典型機電循環的能量變化圖，圖8和圖9中的a、b、c、d四個點代表四個相同的狀態。典型機電循環包含4個主要步驟：

(1)a點-b點，斷開電源，介電型電活性聚合物兩側電極上的電荷量ql保持不變，則載荷增大時介電型電活性聚合物厚度減小，電容增大，兩側電極之間電壓降低至φl，此為肌腱拉伸階段，介電型電活性聚合物存儲的機械能增大；

(2)b點-c點，介電型電活性聚合物兩側電極連接至一個具有較低電壓φl的電源，介電型電活性聚合物厚度減小，兩側電極之間的間距減小並使電容增大，電荷量增大至qh，此為充電階段，介電型電活性聚合物存儲的電能增大；

(3)c點-d點，斷開電源，在開路電路中電荷量qh保持不變，介電型電活性聚合物厚度增大，電容降低，則兩側電極之間的電壓增大至φh，此為肌腱放鬆階段，介電型電活性聚合物存儲的機械能部分轉換為電能；

(4)d點-a點，兩側電極連接至高電壓φl的電源，則介電型電活性聚合物厚度增大，電荷量逐漸降低至ql，此為放電階段，介電型電活性聚合物存儲的電能減小，並給電源充電。

內凹六邊形負泊松比結構作為傳感器的原理為：在電路中接入lcr表，則當載荷增大時，肌腱層被拉伸，介電型電活性聚合物厚度減小，兩側電極之間的間距減小而使得電容增大，通過lcr表則能夠測出電容的變化從而計算出載荷的變化。

通過設計一定的控制策略和控制系統，可實現內凹六邊形負泊松比結構的多功能耦合。

內凹六邊形負泊松比結構中所有包含的內凹六邊形負泊松比元胞由相同或不同的材料製成，並具有相同或不同的結構參數和截面。

內凹六邊形負泊松比結構可製成包括但不僅限於實時可變的緩衝元件、吸能元件、減振元件、彈簧-阻尼結構、傳感器、致動器和能量回收元件。

本技術領域技術人員可以理解的是，除非另外定義，這裡使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有與本發明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現有技術的上下文中的意義一致的意義，並且除非像這裡一樣定義，不會用理想化或過於正式的含義來解釋。

以上所述的具體實施方式，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。