Deutsch
Francais
Nederlands
Svenska
Norsk
Dansk
Suomi
Espanol
Italiano
Portugues
Magyar
Polski
Cestina
Русский
Når en dielektrisk elastomeraktuatør (DEA) utsettes for spenning, utvider den seg, noe som gjør det mulig å måle aksial tøyning som funksjon av påført spenning. For å undersøke denne oppførselen kobles DEA til en høyspenningsforsterker. Før spenningen påføres, måles den opprinnelige diameteren (d0). Spenningen økes deretter i trinn på 0,5 kV, og diameteren måles for hver tilstand. Det er viktig å dokumentere denne prosessen nøye, for eksempel ved å fotografere DEA fra oversiden med en linjal i bakgrunnen for nøyaktig registrering av diameter. Spenningen økes inntil det forekommer et dielektrisk gjennomslag, og verdier registreres for ulike elektrodetyper og for ulike forhold av forstrekk.
For å bedre forstå potensialet for energihøsting fra slike elastomerer kan man betrakte en strekkbar kondensator med et areal på 100 cm² og tykkelse på 300 µm. Materialet VHB 4910 har en relativ permittivitet på 4,5 og et elastisitetsmodul på omtrent 200 kPa. Elektrodens egenskaper antas ideelle: de tilfører ikke merkbar stivhet eller tykkelse, og beholder ledningsevnen selv når de strekkes ti ganger sin opprinnelige lengde. Kapasitansen C kan uttrykkes ved formelen , hvor er den relative permittiviteten, permittiviteten i vakuum, A arealet, og d tykkelsen. Kapasitansen avhenger både av ladningen lagret i kondensatoren og den påførte spenningen, gitt ved . Energien lagret i kondensatoren følger formelen .
Når elastomeren strekkes til ti ganger sin opprinnelige areal, øker kapasitansen betydelig, noe som gir en potensiell økning i lagret elektrisk energi. Den mekaniske energien som lagres i elastomeren kan beregnes ut fra volumet og materialets volumetriske energitetthet, som igjen avhenger av elastisitetsmodul og tøyning. For eksempel, med et volum på 3 mL og en energitetthet på 20 kJ/L, lagres omtrent 60 J mekanisk energi.
Når kondensatoren lades til 100 V i den strekkede tilstanden og deretter får mekanisk stress fjernet slik at den går tilbake til sin opprinnelige størrelse, må ladningen bevares. Dette resulterer i en dramatisk økning i spenningen, opp til 10 kV, noe som illustrerer hvordan energi kan transformeres mellom mekanisk og elektrisk form i slike systemer. Den elektriske energien som lagres i kondensatoren varierer kraftig mellom de to tilstandene, og den elektrome-kaniske konverteringseffektiviteten er beregnet til rundt 0,11 % under disse forholdene.
En annen sentral egenskap ved DEA er responstiden, som kan estimeres ved hjelp av RC-tidskonstanten til systemet, der R er den interne motstanden og C kapasitansen. For eksempel med 1 nF kapasitans og 100 kΩ motstand blir tidskonstanten 0,1 ms. Det betyr at enheten kan nå omtrent 99 % av påført spenning på 0,5 ms, noe som gjør den egnet til applikasjoner som krever raske responser, som haptisk tilbakemelding ved 200 Hz.
Modifiseringer av DEA, som å inkludere et lag med flytende krystall elastomer med anisotrop stivhet, påvirker den mekaniske oppførselen. Stivheten i en retning kan være opptil 100 ganger større enn i den ortogonale, noe som gir mulighet for styrt og retningsspesifikk tøyning ved påføring av elektrisk felt.
Videre kan dielektriske elastomerkapasitive sensorer som strekkes uniaxialt, for eksempel fra 5 cm til 25 cm i lengde, vise betydelige endringer i kapasitans på grunn av volumetriske og geometriske endringer. Disse systemene benytter ofte tynne gullbeleggede elektroder på forhåndstrukket materiale, og målingen av kapasitansendringer gir innsikt i sensorens respons.
Det er viktig å forstå at dielektriske elastomerer kombinerer elektriske og mekaniske fenomener, og at parametrene som kapasitans, spenning, ladning og mekanisk stress alle påvirker hverandre på komplekse måter. Evnen til å lagre, konvertere og frigjøre energi gjør disse materialene lovende for både aktuatorer, sensorer og energihøstingsapplikasjoner. Forståelsen av tidskonstantene og materialets anisotropi er avgjørende for å optimalisere ytelse og respons i praktiske enheter.
Enda viktigere er den iboende utfordringen i å bevare elektrodenes ledningsevne og materialets integritet ved store deformasjoner. Forskningsfokus rettes derfor også mot materialdesign, elektrodeutvikling og integrasjon av slike systemer i myke maskiner og roboter, der hurtig levering av elektrisk og mekanisk energi er avgjørende for funksjonalitet.
Hva kjennetegner elastomerers komplekse oppførsel og deres anvendelse i myk maskinteknologi?
Elastomere materialer skiller seg ut ved sin unike kombinasjon av fleksibilitet, kjemisk motstand og mekaniske egenskaper, som gjør dem til ideelle kandidater for myke maskiner og robotikk. Blant de vanligste typene finner vi nitrilgummi, fluorelastomerer og akrylelastomerer, som hver har spesifikke egenskaper knyttet til kjemisk resistens, varmebestandighet og produksjonsmetoder. Mens nitrilgummi ofte brukes i engangshansker, begrenser prosesseringen dens egnethet for myke maskiner. Fluorelastomerer, som er de mest kjemisk motstandsdyktige og varmebestandige, benyttes i krevende industrier som bil- og luftfart, der elastisitet må kombineres med høy temperaturtoleranse. Akrylelastomerer utmerker seg ved å kunne herdes med ultrafiolett lys i oksygenfrie omgivelser, noe som åpner nye muligheter for fleksible ledere og dielektriske elastomer-transdusere.
Et sentralt begrep for forståelsen av elastomerers oppførsel er glassovergangstemperaturen (Tg), som markerer temperaturen der polymerkjeder begynner å bevege seg mer fritt. Under Tg er kjedene stive og mindre mobile, mens over denne temperaturen øker fleksibiliteten betydelig. Denne overgangen påvirkes av molekylstruktur, molekylmasse, graden av krystallinitet og termisk historie. En lavere Tg betyr økt kjedefleksibilitet og dermed høyere ledningsevne, noe som er essensielt for applikasjoner hvor både fleksibilitet og elektrisk ytelse er ønsket. For eksempel har silikonbaserte elastomerer en Tg ned mot −100 °C, noe som gjør dem anvendelige selv i temperaturer hvor menneskelig fingerferdighet svekkes. På den annen side kan fluorelastomerer tåle temperaturer opptil 250 °C, men har høyere Tg.
Mekanisk oppviser elastomerer hyperelastisitet, en ikke-lineær respons på belastning som er isotrop og preget av en Poissons ratio nær 0,5, det vil si at volumet i prinsippet bevares under deformasjon. Denne egenskapen har stor betydning for dielektriske elastomer-transdusere, særlig aktuatorer, hvor forhåndsstrekking av materialet bidrar til å redusere den initiale høye stivheten og tillater operasjon innenfor en stabil region av stress-strain-kurven. Den såkalte strain-stiffening-effekten forhindrer også materialet i å nå bristepunktet under elektrisk-mekanisk aktivering.
Viskoelastisitet beskriver elastomerers tidsavhengige respons på mekanisk påkjenning, hvor det oppstår en faseforsinkelse mellom påført stress og responsiv deformasjon. Denne fasen, δ, illustrerer at materialet ikke er rent elastisk, men også dissiperer energi som varme. Denne egenskapen kvantifiseres ved lagringsmodulen, som representerer den lagrede elastiske energien, og tapmodulen, som angir energitapet. Tapet av energi er knyttet til friksjon mellom polymerkjeder under deformasjon, som igjen fører til hysterese – at materialets tilstand avhenger av deformasjonshistorikken. Ved rask deformasjon øker denne energidissipasjonen, noe som har praktiske implikasjoner for materialvalg og design i applikasjoner der energitap må minimeres eller kontrolleres.
En alternativ tilnærming til form- og bevegelsesdesign i myk robotikk er bruken av origami- og kirigami-prinsipper. Disse teknikkene gjør det mulig å transformere flate, fleksible materialer til tredimensjonale strukturer gjennom foldinger og snitt. Når slike strukturer kombineres med elastomerbelegg, som silikon, oppnås komposittmaterialer med programmerbar deformasjon. For eksempel kan en origami-basert bellow med silikonbelegg bli lufttett og elastisk, og ved pressurisering utvide seg lineært. Papirets fibermikrostruktur binder mekanisk til det herdede elastomeret, noe som skaper robuste, men fleksible systemer med store anvendelsesmuligheter i myk robotikk. Dette demonstrerer hvordan kombinasjonen av geometrisk design og materialegenskaper åpner nye veier for funksjonelle og adaptive myke maskiner.
Videre forståelse av elastomerers oppførsel krever innsikt i hvordan molekylær mobilitet påvirkes av temperatur og belastning, samt hvordan viskoelastiske tap og hysterese kan kontrolleres i designprosesser. Kunnskap om disse fenomenene er avgjørende for å kunne forutsi ytelse og levetid til myke maskinkomponenter i praktiske anvendelser. I tillegg er interaksjonen mellom materialets mikrostruktur og den geometriske utformingen et nøkkelområde som knytter sammen materialvitenskap med funksjonell robotikk.