本书封面
本书简介
介电弹性体智能材料力电耦合性能及其应用
作者： 陈花玲，周进雄 著
出版时间：2017年版
材料科学技术著作丛书
《介电弹性体智能材料力电耦合性能及其应用》是作者所在科研团队近十年来从事“介电弹性体（dielectric elastomer，DE）智能材料力电耦合性能及其应用”的科研工作总结。《介电弹性体智能材料力电耦合性能及其应用》内容以本科研团队的相关研究成果为主线，同时梳理了1990年至今本领域国内外的代表性工作，对介电弹性柔性材料的基本性能、力电耦合理论模型以及影响其力电响应特性的主要因素进行了详细介绍，并介绍了该智能材料的应用研究案例，从而为读者正确认识该类材料、设计及应用该新型智能材料提供借鉴。
本书目录
前言
第1章 绪论1
1.1 介电弹性体材料及其基本特性 3
1.1.1 DE材料聚合物薄膜 4
1.1.2 DE材料的柔性电极 6
1.2 DE材料的研究进展 8
1.2.1 新型DE材料研发的进展 8
1.2.2 DE材料电致变形性能的研究进展 10
1.2.3 DE材料变形机理的研究进展 13
1.2.4 DE材料力电耦合理论研究进展 14
1.3 DE材料的发展前景 16
参考文献 18
第2章 DE材料电致变形力电耦合模型及稳定性 22
2.1 DE材料力电耦合模型发展历程 22
2.2 基于热力学理论的DE材料电致变形力电耦合模型 24
2.2.1 基于DE材料的平面驱动器热力学模型 24
2.2.2 DE材料应变能模型 27
2.3 DE材料力电耦合变形的稳定性 29
2.3.1 DE材料的失稳现象 29
2.3.2 DE材料失稳机理 33
2.3.3 非线性极化对突跳失稳的影响 37
2.4 DE材料力电耦合失稳现象的利用 42
2.4.1 突跳失稳的利用 42
2.4.2 凹坑失稳的利用 43
2.5 本章小结 45
参考文献 46
第3章 DE材料的基本力电性能 49
3.1 DE材料的力电性能实验方法概述 49
3.1.1 DE材料介电性能测试的实验仪器及方法 49
3.1.2 DE材料力学性能测试的实验仪器及方法 51
3.2 频率对DE材料力电特性的影响 53
3.2.1 频率对DE材料介电性能的影响 53
3.2.2 频率对DE材料力学性能的影响 56
3.3 温度对DE材料力电特性的影响 57
3.3.1 温度对DE材料介电性能的影响 57
3.3.2 温度对DE材料力学性能的影响 60
3.4 预拉伸对DE材料力电特性的影响 62
3.4.1 预拉伸对DE材料介电性能的影响 62
3.4.2 预拉伸对DE材料力学性能的影响 64
3.5 DE材料的力电耦合效率 64
3.5.1 DE材料的应变系数 64
3.5.2 DE材料的机械效率 66
3.5.3 DE材料的电效率 68
3.5.4 DE材料的力电耦合效率 69
3.6 DE材料的电荷泄漏性能 70
3.7 本章小结 76
参考文献 77
第4章 预拉伸对DE材料力电耦合特性影响的分析 80
4.1 预拉伸对固体电介质极化的影响 80
4.1.1 极化的微观机理和表达 80
4.1.2 极化内微观电场和宏观电场的关系 81
4.2 高分子聚合物材料的制约取向极化行为 84
4.2.1 制约取向极化现象 84
4.2.2 DE材料制约取向极化数学模型 85
4.2.3 预拉伸对取向极化的影响 87
4.3 预拉伸对力电耦合变形和稳定性的影响 88
4.3.1 考虑制约取向极化的DE材料本构关系 88
4.3.2 预拉伸对电致变形与稳定性的影响 89
4.4 预拉伸对DE材料力学性能及力电耦合行为的影响 91
4.5 预拉伸的实现技术 93
4.5.1 机械预拉伸技术 93
4.5.2 双网络互穿聚合物的预拉伸技术 95
4.6 本章小结 96
参考文献 96
第5章 温度对DE材料力电耦合特性影响分析 98
5.1 温度对DE材料力电耦合特性的实验研究 98
5.1.1 实验平台及试件 98
5.1.2 DE材料力电耦合特性实验结果 100
5.2 DE材料热-力-电耦合理论模型 101
5.2.1 DE材料的热-力-电的自由能模型 101
5.2.2 DE材料热-力-电耦合本构方程 102
5.3 温度对DE材料力电耦合稳定性的影响 104
5.3.1 温度对力电失稳的影响 105
5.3.2 温度对失去张力失稳现象的影响 106
5.3.3 温度对电击穿失效的影响 107
5.3.4 温度对材料机械强度极限的影响 110
5.3.5 稳定性区域 110
5.4 温度及预拉伸对DE材料力电耦合性能的影响 112
5.4.1 温度及预拉伸变形对DE材料介电常数的影响 112
5.4.2 温度及预拉伸变形影响下的DE材料力电耦合特性 113
5.5 本章小结 117
参考文献 117
第6章 DE材料的黏弹性及其对性能的影响分析 119
6.1 黏弹性DE的力电耦合模型 119
6.2 黏弹性对DE材料预拉伸作用的影响 123
6.2.1 黏弹性引起的DE材料松弛变形对预拉伸作用的影响 123
6.2.2 黏弹性对预拉伸后DE材料介电强度的影响 123
6.2.3 黏弹性对预拉伸后DE材料力电耦合失稳的影响 125
6.3 直流电压下DE材料的蠕变行为及其抑制方法 127
6.4 交流电压下的DE材料的蠕变行为及其抑制方法 130
6.4.1 控制方程的建立 130
6.4.2 数值计算结果和讨论 132
6.5 本章小结 137
参考文献 137
第7章 DE材料的动态特性分析 139
7.1 DE材料驱动器的动力学建模方法 139
7.1.1 基于虚功原理的DE材料驱动器建模方法 139
7.1.2 基于欧拉-拉格朗日方程的DE材料驱动器建模方法 141
7.2 DE材料的非线性动态特性 144
7.2.1 DE材料驱动器的固有频率分析 144
7.2.2 DE材料驱动器的非线性动态响应特性分析 146
7.3 温度对DE材料驱动器动态特性的影响 154
7.4 频率对DE材料驱动器动态特性的影响 157
7.5 本章小结 160
参考文献 160
第8章 DE材料电荷驱动及电荷泄漏的影响 162
8.1 电荷驱动下的DE材料驱动器 162
8.1.1 电荷驱动下DE材料的力电耦合模型 162
8.1.2 电荷驱动和电压驱动下DE材料的力电耦合行为比较 165
8.2 DE材料的电荷泄漏特性 167
8.3 电荷泄漏对电荷驱动下DE材料性能的影响及补偿方法 170
8.3.1 电荷泄漏对DE材料性能的影响 170
8.3.2 面向稳定变形的电荷泄漏补偿方法 173
8.4 电荷泄漏对DE材料动态性能的影响 175
8.5 本章小结 180
参考文献 180
第9章 不同变形条件下DE材料的力电耦合特性 181
9.1 不同变形模式下DE材料的静态变形行为 181
9.1.1 DE材料驱动器的不同变形模式 181
9.1.2 不同变形模式下的力电耦合分析模型 183
9.1.3 不同变形模式下力电耦合行为分析 186
9.2 不同力学边界下DE材料驱动器的动态特性 188
9.2.1 弹簧边界 189
9.2.2 阻挡力边界 192
9.2.3 双DE材料薄膜构成的边界 193
9.3 DE材料的离面起皱现象 199
9.3.1 不规则的起皱现象 200
9.3.2 规则的褶皱现象 206
9.4 本章小结 210
参考文献 211
第10章 DE材料驱动器力电耦合大变形有限元数值模拟及应用 213
10.1 引言 213
10.2 DE材料力电耦合大变形分析理论 214
10.3 有限元离散及迭代求解 216
10.4 DE材料本构关系 218
10.5 DE材料力电耦合大变形数值模拟算例 219
10.6 本章小结 226
参考文献 226
第11章 离子导体驱动DE的基本理论及其应用 228
11.1 引言 228
11.2 离子导体驱动DE的基本理论 230
11.2.1 离子导体驱动DE的工作原理 230
11.2.2 离子导体驱动DE热力学理论 232
11.3 离子导体性能及其对DEA的影响 235
11.3.1 离子导体的稳定性 235
11.3.2 离子导体对DEA力电耦合变形的影响 238
11.4 离子导体的应用 239
11.4.1 离子导体驱动的DE传感器和离子导线 239
11.4.2 离子导体驱动的柔性DE电致发光器件 241
11.5 本章小结 242
参考文献 243
第12章 基于DE材料的驱动器结构设计 245
12.1 单层DE材料驱动器结构设计 245
12.1.1 单层DE材料面内变形驱动器 245
12.1.2 单层DE材料面外变形驱动器 251
12.2 多层堆栈式DE材料驱动器结构设计 253
12.2.1 多层DE材料堆栈式结构制备方法 254
12.2.2 多层DE材料堆栈式结构的应用 257
12.3 圆柱形DE材料驱动器结构设计 260
12.3.1 圆柱形DE材料直线驱动器 260
12.3.2 圆柱形DE材料弯曲驱动器 263
12.4 本章小结 268
参考文献 269
第13章 基于DE材料的能量收集理论与实践 271
13.1 基于DE材料的能量收集工作原理 272
13.2 基于DE材料的能量收集系统在不同变形模式下的能量计算 277
13.3 基于DE材料的能量收集国内外研究进展 281
13.3.1 基于DE材料能量收集行为的理论研究进展 282
13.3.2 基于DE材料能量收集的结构设计研究 284
13.3.3 面向DE材料能量收集的电路研究 292
13.4 基于DE材料的能量收集实验 295
13.5 本章小结 300
参考文献 301
第14章 基于DE材料的传感器结构设计 305
14.1 DE材料的传感原理 305
14.2 平面形DE材料传感器 306
14.2.1 压力传感器 306
14.2.2 拉伸传感器 309
14.2.3 多功能传感器 311
14.3 筒形DE材料传感器 314
14.4 具有表面微结构的DE材料传感器 316
14.5 DE材料传感器的电容测量技术 319
参考文献 322
1.2.4 DE材料力电耦合理论研究进展 14
1.3 DE材料的发展前景 16
参考文献 18
第2章 DE材料电致变形力电耦合模型及稳定性 22
2.1 DE材料力电耦合模型发展历程 22
2.2 基于热力学理论的DE材料电致变形力电耦合模型 24
2.2.1 基于DE材料的平面驱动器热力学模型 24
2.2.2 DE材料应变能模型 27
2.3 DE材料力电耦合变形的稳定性 29
2.3.1 DE材料的失稳现象 29
2.3.2 DE材料失稳机理 33
2.3.3 非线性极化对突跳失稳的影响 37
2.4 DE材料力电耦合失稳现象的利用 42
2.4.1 突跳失稳的利用 42
2.4.2 凹坑失稳的利用 43
2.5 本章小结 45
参考文献 46
第3章 DE材料的基本力电性能 49
3.1 DE材料的力电性能实验方法概述 49
3.1.1 DE材料介电性能测试的实验仪器及方法 49
3.1.2 DE材料力学性能测试的实验仪器及方法 51
3.2 频率对DE材料力电特性的影响 53
3.2.1 频率对DE材料介电性能的影响 53
3.2.2 频率对DE材料力学性能的影响 56
3.3 温度对DE材料力电特性的影响 57
3.3.1 温度对DE材料介电性能的影响 57
3.3.2 温度对DE材料力学性能的影响 60
3.4 预拉伸对DE材料力电特性的影响 62
3.4.1 预拉伸对DE材料介电性能的影响 62
3.4.2 预拉伸对DE材料力学性能的影响 64
3.5 DE材料的力电耦合效率 64
3.5.1 DE材料的应变系数 64
3.5.2 DE材料的机械效率 66
3.5.3 DE材料的电效率 68
3.5.4 DE材料的力电耦合效率 69
3.6 DE材料的电荷泄漏性能 70
3.7 本章小结 76
参考文献 77
第4章 预拉伸对DE材料力电耦合特性影响的分析 80
4.1 预拉伸对固体电介质极化的影响 80
4.1.1 极化的微观机理和表达 80
4.1.2 极化内微观电场和宏观电场的关系 81
4.2 高分子聚合物材料的制约取向极化行为 84
4.2.1 制约取向极化现象 84
4.2.2 DE材料制约取向极化数学模型 85
4.2.3 预拉伸对取向极化的影响 87
4.3 预拉伸对力电耦合变形和稳定性的影响 88
4.3.1 考虑制约取向极化的DE材料本构关系 88
4.3.2 预拉伸对电致变形与稳定性的影响 89
4.4 预拉伸对DE材料力学性能及力电耦合行为的影响 91
4.5 预拉伸的实现技术 93
4.5.1 机械预拉伸技术 93
4.5.2 双网络互穿聚合物的预拉伸技术 95
4.6 本章小结 96
参考文献 96
第5章 温度对DE材料力电耦合特性影响分析 98
5.1 温度对DE材料力电耦合特性的实验研究 98
5.1.1 实验平台及试件 98
5.1.2 DE材料力电耦合特性实验结果 100
5.2 DE材料热-力-电耦合理论模型 101
5.2.1 DE材料的热-力-电的自由能模型 101
5.2.2 DE材料热-力-电耦合本构方程 102
5.3 温度对DE材料力电耦合稳定性的影响 104
5.3.1 温度对力电失稳的影响 105
5.3.2 温度对失去张力失稳现象的影响 106
5.3.3 温度对电击穿失效的影响 107
5.3.4 温度对材料机械强度极限的影响 110
5.3.5 稳定性区域 110
5.4 温度及预拉伸对DE材料力电耦合性能的影响 112
5.4.1 温度及预拉伸变形对DE材料介电常数的影响 112
5.4.2 温度及预拉伸变形影响下的DE材料力电耦合特性 113
5.5 本章小结 117
参考文献 117
第6章 DE材料的黏弹性及其对性能的影响分析 119
6.1 黏弹性DE的力电耦合模型 119
6.2 黏弹性对DE材料预拉伸作用的影响 123
6.2.1 黏弹性引起的DE材料松弛变形对预拉伸作用的影响 123
6.2.2 黏弹性对预拉伸后DE材料介电强度的影响 123
6.2.3 黏弹性对预拉伸后DE材料力电耦合失稳的影响 125
6.3 直流电压下DE材料的蠕变行为及其抑制方法 127
6.4 交流电压下的DE材料的蠕变行为及其抑制方法 130
6.4.1 控制方程的建立 130
6.4.2 数值计算结果和讨论 132
6.5 本章小结 137
参考文献 137
第7章 DE材料的动态特性分析 139
7.1 DE材料驱动器的动力学建模方法 139
7.1.1 基于虚功原理的DE材料驱动器建模方法 139
7.1.2 基于欧拉-拉格朗日方程的DE材料驱动器建模方法 141
7.2 DE材料的非线性动态特性 144
7.2.1 DE材料驱动器的固有频率分析 144
7.2.2 DE材料驱动器的非线性动态响应特性分析 146
7.3 温度对DE材料驱动器动态特性的影响 154
7.4 频率对DE材料驱动器动态特性的影响 157
7.5 本章小结 160
参考文献 160
第8章 DE材料电荷驱动及电荷泄漏的影响 162
8.1 电荷驱动下的DE材料驱动器 162
8.1.1 电荷驱动下DE材料的力电耦合模型 162
8.1.2 电荷驱动和电压驱动下DE材料的力电耦合行为比较 165
8.2 DE材料的电荷泄漏特性 167
8.3 电荷泄漏对电荷驱动下DE材料性能的影响及补偿方法 170
8.3.1 电荷泄漏对DE材料性能的影响 170
8.3.2 面向稳定变形的电荷泄漏补偿方法 173
8.4 电荷泄漏对DE材料动态性能的影响 175
8.5 本章小结 180
参考文献 180
第9章 不同变形条件下DE材料的力电耦合特性 181
9.1 不同变形模式下DE材料的静态变形行为 181
9.1.1 DE材料驱动器的不同变形模式 181
9.1.2 不同变形模式下的力电耦合分析模型 183
9.1.3 不同变形模式下力电耦合行为分析 186
9.2 不同力学边界下DE材料驱动器的动态特性 188
9.2.1 弹簧边界 189
9.2.2 阻挡力边界 192
9.2.3 双DE材料薄膜构成的边界 193
9.3 DE材料的离面起皱现象 199
9.3.1 不规则的起皱现象 200
9.3.2 规则的褶皱现象 206
9.4 本章小结 210
参考文献 211
第10章 DE材料驱动器力电耦合大变形有限元数值模拟及应用 213
10.1 引言 213
10.2 DE材料力电耦合大变形分析理论 214
10.3 有限元离散及迭代求解 216
10.4 DE材料本构关系 218
10.5 DE材料力电耦合大变形数值模拟算例 219
10.6 本章小结 226
参考文献 226
第11章 离子导体驱动DE的基本理论及其应用 228
11.1 引言 228
11.2 离子导体驱动DE的基本理论 230
11.2.1 离子导体驱动DE的工作原理 230
11.2.2 离子导体驱动DE热力学理论 232
11.3 离子导体性能及其对DEA的影响 235
11.3.1 离子导体的稳定性 235
11.3.2 离子导体对DEA力电耦合变形的影响 238
11.4 离子导体的应用 239
11.4.1 离子导体驱动的DE传感器和离子导线 239
11.4.2 离子导体驱动的柔性DE电致发光器件 241
11.5 本章小结 242
参考文献 243
第12章 基于DE材料的驱动器结构设计 245
12.1 单层DE材料驱动器结构设计 245
12.1.1 单层DE材料面内变形驱动器 245
12.1.2 单层DE材料面外变形驱动器 251
12.2 多层堆栈式DE材料驱动器结构设计 253
12.2.1 多层DE材料堆栈式结构制备方法 254
12.2.2 多层DE材料堆栈式结构的应用 257
12.3 圆柱形DE材料驱动器结构设计 260
12.3.1 圆柱形DE材料直线驱动器 260
12.3.2 圆柱形DE材料弯曲驱动器 263
12.4 本章小结 268
参考文献 269
第13章 基于DE材料的能量收集理论与实践 271
13.1 基于DE材料的能量收集工作原理 272
13.2 基于DE材料的能量收集系统在不同变形模式下的能量计算 277
13.3 基于DE材料的能量收集国内外研究进展 281
13.3.1 基于DE材料能量收集行为的理论研究进展 282
13.3.2 基于DE材料能量收集的结构设计研究 284
13.3.3 面向DE材料能量收集的电路研究 292
13.4 基于DE材料的能量收集实验 295
13.5 本章小结 300
参考文献 301
第14章 基于DE材料的传感器结构设计 305
14.1 DE材料的传感原理 305
14.2 平面形DE材料传感器 306
14.2.1 压力传感器 306
14.2.2 拉伸传感器 309
14.2.3 多功能传感器 311
14.3 筒形DE材料传感器 314
14.4 具有表面微结构的DE材料传感器 316
14.5 DE材料传感器的电容测量技术 319
参考文献 322
