En unimorf nanokomposit dielektrisk elastomer til aktivering i stor skala

Dielektriske elastomeraktuatorer (DEA) kan gennemgå store, reversible deformationer i planet. I en ny rapport, der nu er offentliggjort i Science Advances Junhong Pu og et team af forskere inden for forskning i bløde materialer og polymervidenskab ved University of California, Los Angeles, USA, og Sichuan University, Kina, introducerede en elektroforetisk proces til at koncentrere bornitrid-nanopladedispersion i en dielektrisk elastomer-precursoropløsning på en valgt elektrodeoverflade. Holdet opnåede en unimorf nanokomposit dielektrisk elastomer forkortet UNDE med en sømløs dobbeltlagsstruktur indeholdende 13 gange modulforskellen. Holdet kunne aktivere UNDE-konstruktionen til store bøjningskrumninger med forbedret holdbarhed sammenlignet med konventionelle nanokomposit dielektriske elastomerer. De arrangerede flere UNDE-enheder i en simpel elektroforetisk koncentrationsproces ved hjælp af mønstrede elektrodeområder; derefter, ved at bruge aktuatoren, udviklede de en højhastigheds linsemotor med variabel brændvidde til at danne et to-linse optisk system.

Unimorfe nanokompositte dielektriske elastomerer (UNDE)

Dielektriske elastomerer er en klasse af elektroaktive polymerer, der kan transducere elektromekanisk energi via en elektrostatisk spændingsmekanisme som svar på en påført spænding. Materialerne er kendetegnet ved deres store belastning og høje energitæthed og har tiltrukket sig enorm interesse i det seneste årti for anvendelser som kunstige muskler og blød robotik. Akryl-elastomerer er af interesse på grund af den største aktiveringsbelastning, som de udviser, og den forstrækningsprocedure, der er involveret under fremstillingen. Materialeforskere sigter mod at undgå forstrækningsprocessen med akrylelastomerer ved at indføre et andet interpenetrerende polymernetværk og kemisk modifikation for at opnå store aktiveringsbelastninger uden forstrækning. I dette arbejde har Pu et al. introducerede en elektroforetisk tilgang efterfulgt af in situ tværbinding for at fremstille en grænsefladefri unimorf nanokomposit dielektrisk elastomer lavet af lokalt koncentreret bornitrid nanosheets (BNNS). Holdet brugte den elektroforetiske proces til at producere flere funktionelle unimorfe enheder i en skiveformet monolitisk DEA-film gennem tilpasset elektrodemønster. De varierede aktiveringsbelastningen med påført spænding uden materialenedbrydning, og den kompakte aktuator producerede stor lineær aktivering til brug som en direktedrevet linsemotor til optiske zoomsystemer.

Pu et al. udviklet UNDE-filmene (Unimorph nanocomposite dilectric elastomer) med højt koncentreret BNNS (boron nitride nanosheets) på den ene overflade via elektroforese. Bornitrid nanopladerne bruges almindeligvis som et dielektrisk fyldstof for at øge den dielektriske styrke og kan dispergeres i en dielektrisk elastomer for at danne en kolloid suspension. Holdet injicerede dispersionen mellem to parallelle elektroder med et jævnstrømsfelt påført mellem dem. Da BNNS var negativt ladet, blev materialerne tiltrukket af overfladen af ​​den positive elektrode. Holdet helbredte forstadiet via ultraviolet eksponering og dannede en kontinuerlig dobbeltlagsstruktur. De afbildede processen ved hjælp af en lysstråle, der blev ført gennem kuvettekammeret under elektroforese. Efter at have udviklet UNDE-strukturen har Pu et al. brugte scanningselektronmikroskopibilleder til at observere egenskaberne af konventionelle nanokomposit dielektriske elastomerer som kontrolmateriale, og UNDE med 3 procent BNNS i sin sammensætning. Holdet bemærkede mindre bøjningskrumninger for UNDE-filmen med BNNS koncentreret på det øverste lag sammenlignet med det nederste lag. Arbejdet indikerede højere stivhed for BNNS-koncentrerede lag sammenlignet med dem med udtømte koncentrationer. Forskerne udforskede de optimerede materialer for at opnå bindende aktivering ved at påføre en højspænding over UNDE-filmen. Efter påføring af et elektrisk felt oplevede de to lag af konstruktionen ensartede trykbelastninger under cyklusser med bøjning og genopretning.

Aktivering af UNDE (unimorph nanocomposite dilectric elastomer) aktuatorer

Forskerholdet analyserede bindingsaktiveringen af ​​3 procent vægt UNDE, formet i en trapezoid og bemærkede, hvordan de dielektriske elastomeraktuatorer fungerede på en ensrettet bindende måde i forhold til de påførte elektriske felter på tværs af dens tykkelse. For eksempel, ved en feltintensitet på 28 MV/m opnåede holdet en bindingskrumning på 4,4 cm ^-1 at skabe en næsten lukket sløjfestruktur. De bemærkede den specifikke afhængighed af bindingskrumning på den elektriske feltintensitet, hvor UNDE med højere bornitrid-nanoarkkoncentrationer krævede højere elektrisk feltstyrke for at opnå den samme bøjningskrumning på grund af øget stivhed. Holdet forsynede aktiverings- og genopretningsprocesserne med en eksponentiel reaktion og krediterede den hurtige reaktion fra de bøjede dielektriske elastomeraktuatorer til den direkte energiomdannelse fra elektricitet til mekanisk arbejde. Bindingskrumningen indikerede en afvejning mellem stor bøjningskrumning og høj operationsfrekvens. Den grænsefladefrie natur mellem de passive bornitrid-nanoark og det aktive dielektriske elastomerlag tilbød UNDE-aktuatorerne ikke-destruktiv bindingsydelse efter 180 graders foldning.

Anvendelser af de dielektriske elastomeraktuatorer

Holdet adopterede UNDE-fabrikationsprocessen for at danne flere individuelt tilgængelige unimorfer i en monolitisk film. Pu et al. brugte skiveformede dielektriske elastomeraktuatorer som en selvstændig motorlinse til direkte at flytte et optisk element og ændre brændvidden af ​​et kompakt og adaptivt zoomlinsesystem over et bredt område. Ved at bruge zoomsystemet med to objektiver øgede de afstanden mellem de to linser for at mindske afstanden fra systemets brændvidde og lette projektionen af ​​objekter fra langt til tætte arbejdsafstande på samme plan. Sammenlignet med tunable flydende linseteknologi opnåede det lineære aktuatordrevne optiske zoomsystem større brændviddeindstillingsevne, hvilket er ønskeligt for endoskoper, smartphonekameraer, virtual reality og maskinsyn.

På denne måde udviklede Junhong Pu og kolleger en ny metode til at implementere unimorfe konfigurationer i en monolitisk dielektrisk elastomerfilm gennem elektroforese. Metoden lettede koncentrationen af ​​bornitrid nanosheet (BNNS) nanofyldstoffer i monomerer for at danne en grænsefladefri unimorf nanokomposit dielektrisk elastomer (UNDE). Holdet oprettede flere UNDE-enheder under undersøgelsen ved at udpege BNNS-koncentrationer til overfladeområder. De resulterende lineære dielektriske elastomeraktuatorer kan optimeres som lovende materialer til kunstigt robotsyn på grund af deres tilpasselige og skalerbare natur. + Udforsk yderligere

Kunstig muskel til blød robotteknologi:Lav spænding, store forhåbninger

© 2022 Science X Network