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主题 |
背景 电的电活性聚合物 铁电聚合物 介电EAP. 电致伸缩贪污弹性体 电刺激纸 Electro-Viscoelastic弹性体 液晶弹性体（LCE）材料亚博网站下载 离子的电活性聚合物 离子聚合物凝胶(IPG) 离子聚合物-金属复合材料(IPMC) 导电聚合物(CP) 碳纳米管（CNT） 应用程序 |
背景 |
在过去的十年中，一种新的聚合物出现了，它通过显示来响应外部电刺激 eap吸引了来自不同学科的工程师和科学家的关注。特别是，仿生学领域的研究人员发现，可以预见这些材料可能被用于模仿动物、昆虫甚至人体部位的运动(图1)。亚博网站下载
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图1．EAP在仿生学中的潜在应用。 |
一般来说，eap具有诱导应变的能力，比刚性和脆性电活性陶瓷(EACs)可能的运动大两个数量级。与形状记亚博网站下载忆合金(SMAs)相比，EAP材料具有更高的响应速度、更低的密度和更高的回弹性。驱动力低、机械能量密度低、缺乏稳健性是制约eap的因素。然而，据报道，在导管转向元件、微型机械手、除尘器、微型机械臂和抓手等方面都有成功的应用。 根据活化机制的不同，eap主要分为电子类和离子类。表1概述了两种eap的优点和缺点。 表1。概述电子和离子EAP类别的优缺点。
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电子 学术用途英语 |
•可以在很长一段时间内在房间条件下运行 •快速响应时间(mSec级别) •可以在直流激活下保持菌株 •产生较大的驱动力 |
•要求高电压(~ 150mv /m) •需要在紧张和压力之间做出妥协 •玻璃转变温度不适用于低温驱动任务 |
离子EAP |
•需要低电压 •提供主要的弯曲驱动(可以构造纵向机构) •弯曲位移大 |
•除CP（导电聚合物）外，离子EAPS不会在直流电压下保持应变 •响应慢(不到一秒) •弯曲eap诱导的驱动力相对较低 •除CP和CNT（碳纳米管）外，难以生产一致的材料（特别是IPMC - 离聚物 - 金属复合材料） •在水体系中，该物质在> 1.23 V下维持水解 |
电场或库仑力量通常驱动电子EAP，而离子EAPS的主要驱动器是离子的迁移率或扩散。 电电活性聚合物和离子电活性聚合物的类型总结如下: |
电的电活性聚合物 |
铁电聚合物 |
压电是在1880年被发现的，当时人们发现某些晶体，如石英、电气石和罗谢尔盐，当沿着某些轴压缩时，会在晶体表面产生电压。当应用电流使晶体维持延伸时，也发现了相反的效应。
聚偏氟乙烯或PVDF及其共聚物是目前应用最广泛的铁电聚合物。它们由非晶相中的部分结晶成分组成。大的应用交流电场(~ 200mv /m)诱导的电致伸缩(非线性)应变接近~2%。P(VDF-TrFE)是一种受电子辐射作用的PVDF聚合物，在低频驱动场(150 V/μm)下电致伸缩应变高达5%。 铁电EAP聚合物致动器可在空气、真空或水中工作，并在很宽的温度范围内工作。 |
介电EAP. |
静电场可以用于表现出低弹性刚度和高介电常数的那些聚合物，以诱导大致动应变，这些聚合物称为电静态标纹聚合物（ESSP）致动器。 介电EAP驱动器需要大的电场(~100 V/μm)，并能产生应变水平(10-200%)。据报道，3M™(商品名VHB™)生产的丙烯酸弹簧体胶带在双轴对称约束下能够承受300%以上的平面应变，在单轴约束下能够承受高达215%的线性应变。 |
电致伸缩贪污弹性体 |
这是一种由两部分组成的聚合物，一个柔性大分子主链和一个可以以晶体形式产生的接枝聚合物。该材料具有较高的电场应变(~4%)，具有良好的机械功率和加工性能。 一个典型的例子是电致伸缩接枝弹性体与压电聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)共聚物的组合。这种结合能够产生不同数量的铁电-电致伸缩分子复合体系。它们可以作为压电传感器或甚至电致伸缩驱动器来操作。 |
电刺激纸 |
一般来说，纸张是由大量的离散粒子组成，这些粒子主要是纤维性质，形成网状结构。yabo214其中一个例子是银层压纸，两张带银电极的银层压纸放在外面的表面。当电压加到电极上时，就发生弯曲位移。 这些类型的执行器是重量轻的，简单的制造简单，并且很可能用于有源吸音器，柔性扬声器和“智能”形状控制装置的应用中。 |
Electro-Viscoelastic弹性体 |
这些材料是有亚博网站下载机硅弹性体和极性相的复合材料。固化后，施加一个电场，使弹性基体中的极性相定向。外加电场(<6 V/μm)会引起剪切模量的变化。 典型的预测应用是用于主动阻尼应用的电流流变液的替代品。 |
液晶弹性体（LCE）材料亚博网站下载 |
它们通过诱导焦耳加热而具有EAP特性。LCEs是由单畴向列型液晶弹性体和导电亚博网站下载聚合物组成的复合材料，它们分布在各自的网状结构中。驱动机制是向列相和各向同性相之间的相变。这个动作不到一秒钟就完成了。 |
离子的电活性聚合物 |
离子聚合物凝胶（IPG) |
这些聚合物凝胶具有与生物肌肉的力量和能量密度匹配的潜力。聚丙烯腈材料被化学反应(s)激活，从酸性环境亚博网站下载到碱性环境的变化，通过凝胶变得致密或膨胀，诱导了一个促动。由于离子通过多层凝胶的扩散，驱动有点慢。 |
离子聚合物-金属复合材料(IPMC) |
这些是由于聚合物网络中阳离子的流动性而导致的电激活反应的eap弯曲。通常，两种类型的碱性聚合物被用来形成ipmc，这些是Nafion®(杜邦公司生产的全氟磺酸钠)和Flemion®(日本旭硝子玻璃公司生产的全氟羧酸盐)。IPMC需要相对较低的电压来刺激低于1hz的低频弯曲响应(1-10 V)。 |
导电聚合物(CP) |
CP通过在氧化还原循环期间发生的可逆反离子插入和驱逐。通过与电解质交换的相应电极的氧化和还原反应发生显着的体积变化。 电极通常由聚吡咯或聚苯胺制成，或掺杂有HCl的锅。CP执行器需要1-5 V范围内的电压。电压的变化可以控制致动速度。相对高的机械能密度超过20 j / cm3.然而，它们的效率很低，只有1%。亚博网站下载 CP的其他材料组合有聚吡咯、聚乙烯二氧噻吩、聚(对苯乙烯)、聚苯胺和聚噻吩。据报道，这些CPs的一些应用包括能够打开和关闭的微型盒子，微型机器人，外科手术工具，组装其他微型设备的外科手术机器人。 |
碳纳米管（CNT） |
1999年，CNTs作为具有类金刚石力学性能的正式eap出现。驱动机制是通过电解质介质和通过电荷注入改变键长，从而影响纳米管和电解质之间的离子电荷平衡。注入碳纳米管的电荷越多，尺寸变化越大。 由于单个CNT的机械强度和模量和可实现的致动器位移，这些EAP可以夸大每周期的最高工作，并产生比其他形式的EAP的机械应力更高 |
应用程序 |
应用程序of EPAs are still in their embryonic stages however, some of these include: parts that will have the ability to mimic insect, animal or even human systems (e.g. human artificial muscles), catheter steering elements, miniature manipulator, dust-wipers, miniature robotic arms, grippers, electro-rheological fluids for active damping, miniature boxes, micro-robots, surgical tools and surgical robots that have the ability to assemble other micro-devices. 主要作者：Yoseph Bar-Cohen博士 资料来源：作为人工肌肉的电活性聚合物 - 现实和挑战（2001年），42的诉讼程序ndAIAA结构、结构动力学和材料会议(SDM)，游丝航天器论坛(GSF)， 4月16亚博网站下载-19日在美国华盛顿州西雅图举行。 更多信息请访问http://ndeaa.jpl.nasa.gov |