介电弹性体新材料与纤维状驱动器的设计与可控制备
发布时间：2023-07-26 20:35
介电弹性体(Dielectric Elastomer)是一种在外加电场激励下发生大变形,实现电能和机械能相互转换的智能软材料,被认为是新一代的人工肌肉,作为柔性驱动器、传感器和机械能收集器,在智能仿生、柔性机器人、航空航天、智能医疗器件、可穿戴器件等领域具有巨大的应用潜力。目前介电弹性体仍局限于从商业产品筛选而得的弹性体,其性能难以满足应用要求;介电弹性体驱动器的制备尚难实现定制化、连续化、自动化地加工高度集成、具有复杂结构的一体化驱动器群,限制了介电弹性体的潜在应用空间。本论文针对上述两个重要问题展开研究,设计制备了性能优异的三嵌段共聚物介电弹性体材料,发展了纤维状介电弹性体驱动器的3D打印方法并制得具有一体化结构的驱动器群。主要创新性成果如下:(1)利用RAFT乳液聚合技术设计制备了系列聚(苯乙烯-b-丙烯酸酯-b-苯乙烯)介电弹性体材料,探究了聚丙烯酸酯侧基大小对聚合物力学性能、介电性能、驱动性能的影响规律。发现:随着侧基的增大,链缠结密度下降,模量降低,在无预拉伸测试条件下,具有较大侧基的聚丙烯酸异辛酯具有较高的能量密度(4.4 kJ/m3)和驱动应变(25%),与哺乳动物骨骼...
【文章页数】：133 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.2 本文研究内容
第二章 文献综述
2.1 介电弹性体
2.1.1 介电弹性体驱动原理
2.1.2 影响介电弹性体驱动性能的因素
2.1.3 介电弹性体材料
2.1.4 介电弹性体驱动器
2.2 RAFT乳液聚合制备热塑性介电弹性体
2.2.1 RAFT聚合
2.2.2 RAFT乳液聚合制备热塑性弹性体
2.3 墨水直写3D打印技术
2.4 课题的提出
第三章 RAFT乳液聚合法制备聚苯乙烯/丙烯酸酯嵌段共聚物
3.1 引言
3.2 实验部分
3.2.1 原料及处理
3.2.2 小分子RAFT试剂的合成与表征
3.2.3 双亲性大分子RAFT试剂的合成与表征
3.2.4 聚苯乙烯-聚丙烯酸酯-聚苯乙烯三嵌段共聚物的合成
3.2.5 聚苯乙烯-聚丙烯酸酯-聚苯乙烯三嵌段共聚物的表征方法
3.3 结果与讨论
3.3.1 嵌段共聚物的合成与表征
3.3.2 聚合物的玻璃化转变温度
3.3.3 聚合物的相形态
3.3.4 聚合物的力学性能
3.3.5 聚合物动态力学分析
3.4 本章小结
第四章 聚苯乙烯/丙烯酸酯三嵌段共聚物介电驱动性能研究
4.1 引言
4.2 实验部分
4.2.1 实验样品的制备
4.2.2 介电驱动性能表征方法
4.2.3 各向异性样品的制备
4.3 结果与讨论
4.3.1 聚合物的介电性能
4.3.2 介电驱动变形性能研究
4.3.3 各向异性介电驱动性能研究
4.4 本章小结
第五章 墨水直写3D打印技术制备纤维状介电弹性体驱动器
5.1 引言
5.2 实验部分
5.2.1 原料及处理
5.2.2 电极挤出材料的制备
5.2.3 介电弹性体挤出材料的制备
5.2.4 挤出材料的性能表征
5.2.5 纤维状介电弹性体驱动器打印过程
5.2.6 单根介电弹性体纤维状驱动器的驱动性能测试
5.2.7 介电弹性体纤维束状驱动器的驱动性能测试
5.2.8 介电弹性体纤维束的可编程驱动
5.2.9 介电弹性体纤维驱动的有限元模拟
5.3 结果与讨论
5.3.1 墨水直写3D打印技术制备单根介电弹性体纤维
5.3.2 介电弹性体纤维状驱动器驱动原理
5.3.3 介电弹性体纤维状驱动器驱动的电/力耦合数学模型
5.3.4 单根介电弹性体纤维状驱动器性能研究
5.3.5 介电弹性体纤维束状驱动器性能研究
5.3.6 介电弹性体纤维束状驱动器的可重构驱动
5.3.7 墨水直写3D打印技术制备介电弹性体纤维与现有方法的比较
5.4 本章小结
第六章 基于介电弹性体纤维的复杂变形结构设计与制备
6.1 引言
6.2 实验部分
6.2.1 打印材料的制备
6.2.2 复杂结构的介电弹性体驱动器的打印过程
6.2.3 介电弹性体线圈柱状驱动器的驱动性能测试
6.2.4 介电弹性体驱动器复杂变形的三维形貌测量
6.2.5 介电弹性体驱动器复杂变形的有限元模拟
6.3 结果与讨论
6.3.1 单层结构的驱动器变形
6.3.2 双层结构的驱动器变形
6.3.3 多层结构的驱动器变形
6.3.4 图案化电极结构的驱动器变形
6.4 本章小结
第七章 结论及创新点
7.1 结论
7.2 创新点
7.3 未来工作展望
参考文献
攻读学位期间发表的研究成果
致谢
本文编号：3837508
【文章页数】：133 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.2 本文研究内容
第二章 文献综述
2.1 介电弹性体
2.1.1 介电弹性体驱动原理
2.1.2 影响介电弹性体驱动性能的因素
2.1.3 介电弹性体材料
2.1.4 介电弹性体驱动器
2.2 RAFT乳液聚合制备热塑性介电弹性体
2.2.1 RAFT聚合
2.2.2 RAFT乳液聚合制备热塑性弹性体
2.3 墨水直写3D打印技术
2.4 课题的提出
第三章 RAFT乳液聚合法制备聚苯乙烯/丙烯酸酯嵌段共聚物
3.1 引言
3.2 实验部分
3.2.1 原料及处理
3.2.2 小分子RAFT试剂的合成与表征
3.2.3 双亲性大分子RAFT试剂的合成与表征
3.2.4 聚苯乙烯-聚丙烯酸酯-聚苯乙烯三嵌段共聚物的合成
3.2.5 聚苯乙烯-聚丙烯酸酯-聚苯乙烯三嵌段共聚物的表征方法
3.3 结果与讨论
3.3.1 嵌段共聚物的合成与表征
3.3.2 聚合物的玻璃化转变温度
3.3.3 聚合物的相形态
3.3.4 聚合物的力学性能
3.3.5 聚合物动态力学分析
3.4 本章小结
第四章 聚苯乙烯/丙烯酸酯三嵌段共聚物介电驱动性能研究
4.1 引言
4.2 实验部分
4.2.1 实验样品的制备
4.2.2 介电驱动性能表征方法
4.2.3 各向异性样品的制备
4.3 结果与讨论
4.3.1 聚合物的介电性能
4.3.2 介电驱动变形性能研究
4.3.3 各向异性介电驱动性能研究
4.4 本章小结
第五章 墨水直写3D打印技术制备纤维状介电弹性体驱动器
5.1 引言
5.2 实验部分
5.2.1 原料及处理
5.2.2 电极挤出材料的制备
5.2.3 介电弹性体挤出材料的制备
5.2.4 挤出材料的性能表征
5.2.5 纤维状介电弹性体驱动器打印过程
5.2.6 单根介电弹性体纤维状驱动器的驱动性能测试
5.2.7 介电弹性体纤维束状驱动器的驱动性能测试
5.2.8 介电弹性体纤维束的可编程驱动
5.2.9 介电弹性体纤维驱动的有限元模拟
5.3 结果与讨论
5.3.1 墨水直写3D打印技术制备单根介电弹性体纤维
5.3.2 介电弹性体纤维状驱动器驱动原理
5.3.3 介电弹性体纤维状驱动器驱动的电/力耦合数学模型
5.3.4 单根介电弹性体纤维状驱动器性能研究
5.3.5 介电弹性体纤维束状驱动器性能研究
5.3.6 介电弹性体纤维束状驱动器的可重构驱动
5.3.7 墨水直写3D打印技术制备介电弹性体纤维与现有方法的比较
5.4 本章小结
第六章 基于介电弹性体纤维的复杂变形结构设计与制备
6.1 引言
6.2 实验部分
6.2.1 打印材料的制备
6.2.2 复杂结构的介电弹性体驱动器的打印过程
6.2.3 介电弹性体线圈柱状驱动器的驱动性能测试
6.2.4 介电弹性体驱动器复杂变形的三维形貌测量
6.2.5 介电弹性体驱动器复杂变形的有限元模拟
6.3 结果与讨论
6.3.1 单层结构的驱动器变形
6.3.2 双层结构的驱动器变形
6.3.3 多层结构的驱动器变形
6.3.4 图案化电极结构的驱动器变形
6.4 本章小结
第七章 结论及创新点
7.1 结论
7.2 创新点
7.3 未来工作展望
参考文献
攻读学位期间发表的研究成果
致谢
本文编号：3837508
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