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Phase-field modeling of piezoelectrics and instabilities in dielectric elastomer compositesLi, Wenyuan, 1982- 01 February 2012 (has links)
Ferroelectric ceramics are broadly used in applications including actuators, sensors and information storage. An understanding of the microstructual evolution and domain dynamics is vital for predicting the performance and reliability of such devices.
The underlying mechanism responsible for ferroelectric constitutive response is
ferroelectric domain wall motion, domain switching and the interactions of domain
walls with other material defects.
In this work, a combined theoretical and numerical modeling framework is
developed to investigate the nucleation and growth of domains in a single crystal of
ferroelectric material. The phase-field approach, applying the material electrical
polarization as the order parameter, is used as the theoretical modeling framework to
allow for a detailed accounting of the electromechanical processes. The finite element
method is used for the numerical solution technique. In order to obtain a better
understanding of the energetics of fracture within the phase-field setting, the J-integral is
modified to include the energies associated with the order parameter. Also, the J-
integral is applied to determine the crack-tip energy release rate for common sets of
electromechanical crack-face boundary conditions. The calculations confirm that only
true equilibrium states exhibit path-independence of J, and that domain structures near
crack tips may be responsible for allowing positive energy release rate during purely
electrical loading.
The small deformation assumption is prevalent in the phase-field modeling
approach, and is used in the previously described calculations. The analysis of large
deformations will introduce the concept of Maxwell stresses, which are assumed to be
higher order effects that can be neglected in the small deformation theory. However, in
order to investigate the material response of soft dielectric elastomers undergoing large
mechanical deformation and electric field, which are employed in electrically driven
actuator devices, manipulators and energy harvesters, a finite deformation theory is
incorporated in the phase-field model. To describe the material free energy,
compressible Neo-Hookean and Gent models are used. The Jaumann rate of the
polarization is used as the objective polarization rate to make the description of the dissipation frame indifferent. To illustrate the theory, electromechanical instabilities in composite materials with different inclusions will be studied using the finite element
methods. / text
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Computational study of electromechanical instabilities in dielectric elastomersWang, Jin January 2014 (has links)
Thesis (M.Sc.Eng.) / Dielectric elastomers (DEs) have attracted significant attention in recent years and have been found to provide excellent overall performance in actuation-based application. This thesis will introduce the fundamentals of DEs, derive the field and finite element equations for simulating its deformation, and then focus on numerically studying electromechanical instabilities, in particular electrostatically driven creep and the effect of pre-stretch on surface (creasing) instabilities. First, a nonlinear, dynamic finite element model coupled with a finite deformation viscoelastic constitutive law is utilized to study the inhomogeneous deformation and instabilities resulting from the application of a constant voltage to dielectric elastomers. Theoretical studies are performed of two problems that have been experimentally observed, i.e. electromechanical snap-through instability and bursting drops in a dielectric elastomer. In general, increasing the viscoelastic relaxation time leads to an increase in time needed to nucleate the electromechanical instability. However, it is found that the time needed to nucleate the instability of these two cases scales with the relaxation time. Second, the effect of pre-stretch on the performance of dielectric elastomers is studied. Two cases are studied, the electromechanical snap-through instability under equibiaxial pre-stress, and a strip under uniaxial pre-stretch. It is found that prestress markedly increases the stability of the elastomers, while pre-stretch increases the critical field for electro-creasing instability. / 2031-01-01
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Network-Model based Design of Loudspeakers and Headphones based on Dielectric ElastomersBakardjiev, Petko 27 June 2024 (has links)
Elektroakustische Systeme wie Lautsprecher, die elektrische Signale in akustische Signale umwandeln, sind heute Eckpfeiler der Kommunikation. Von Mikrotreibern in Kopfhörern und Smartphones über Audiosysteme in Fahrzeugen und Wohnzimmern bis hin zu großen Beschallungsanlagen in öffentlichen Räumen, Kinos und Konzerten sowie zahlreichen technischen Anwendungen sind sie heute ein allgegenwärtiger Bestandteil des täglichen Lebens. Die gängigsten Lautsprechertechnologien basieren auf elektrodynamischen Wandlern. Seit der ersten Patentierung vor 145 Jahren wurden diese, die notwendige Leistungselektronik sowie die Methoden zur Auslegung und Systembeschreibung im Klein- und Großsignalbereich kontinuierlich weiterentwickelt.
Die Forschung befasst sich aber auch ständig mit alternativen Technologien, die Vorteile gegenüber konventionellen Antrieben haben können. In diesem Zusammenhang haben dielektrische Elastomere (DE) in den letzten 25 Jahren zunehmend an Aufmerksamkeit gewonnen. Sie versprechen u.a. einen höheren Wirkungsgrad, neuartige Konstruktionen und eine erhebliche Gewichtsreduktion. Zudem können sie aus kostengünstigen Ausgangsmaterialien ohne den Einsatz von Seltenen Erden oder ferroelektrischen Materialien hergestellt werden, was die Abhängigkeit von Rohstoffimporten verringert und neue Anwendungsfelder eröffnet.
Trotz sehr aktiver Forschung und Entwicklung bei Materialien, Design und Herstellung gibt es bisher nur wenige kommerziell verfügbare Aktuatoranwendungen.
Eine grundlegende Voraussetzung für die Etablierung einer Technologie sind standardisierte und nachvollziehbare Methoden zur prädiktiven Systembeschreibung und zum rechnergestützten Systementwurf. Diese sind für DE in dynamischen Anwendungen noch nicht verfügbar.
In dieser Arbeit wird die etablierte Entwurfsmethodik zur prädiktiven Beschreibung kleinsignaliger dynamischer Systeme mit elektromechanischen und akustischen Netzwerken auf dielektrische Elastomere erweitert. Das Kernelement ist die Ableitung der elektromechanischen Wandlermodelle für DE-Längs- und Dickenoszillatoren. Basierend auf dieser Systembeschreibung,
werden Auslegungskriterien für DE-basierte Schallquellen aufgestellt. Der Fokus liegt dabei auf der praktischen Anwendbarkeit und der Generierung von technologischen Vorteilen gegenüber elektrodynamischen Wandlern. Aus diesen Kriterien werden neuartige Wandlerkonzepte in Form von rollenaktorgetriebenen Lautsprechermembranen und unimorphen Membranen entwickelt, analysiert und als Demonstratoren realisiert. Darüber hinaus wird die Leistungselektronik untersucht, auf deren Basis Schaltungen zur Durchführung messtechnischer Untersuchungen und zum Betrieb der Demonstratoren entwickelt und realisiert wurden.
Ziel der Arbeit ist es, Anwendungsentwicklern mit der vorgestellten Entwurfsmethodik einen besseren Zugang zur Technologie zu ermöglichen und so zur Entwicklung von DE-basierten Schallquellen im Speziellen und dynamischen DE-Aktoren im Allgemeinen beizutragen.:1 Introduction 1
2 Fundamentals of Dielectric Elastomers 5
3 Electromechanical Network Model of Dielectric Elastomers 9
3.1 Transducer Network Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.1.1 Electrostatic Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1.2 Simulative-experimental Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.1.3 Mechanical Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.1.4 Determination of the Parameters at the Operating Point . . . . . . . . . 19
3.1.5 Electromechanical Transducer Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 Electrical Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3 Operating Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4 Mechanical Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4 Power Electronics 37
4.1 Fundamental Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.2 Alternative Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2.1 Adapted Circuit Designs for Capacitive Loads . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2.2 Summing Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3 Realization of Power Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.3.1 Coupling Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.3.2 Branch to Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.3.3 Charging Resistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.3.4 Additional Extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.3.5 Implemented Power Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5 Design of DE Loudspeakers 49
5.1 State of the Art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.1.1 Membrane and Bubble-Loudspeakers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.1.2 Annular Membrane Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.1.3 Preformed Membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.1.4 Thickness Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.2 Fundamental Design Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.3 Proposed Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6 DE-Roll Actuator based Loudspeaker Driver 61
6.1 Fundamentals of DERA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.2 Stability Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.3 Model Computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.3.1 Fundamental Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.4 Construction and Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.4.1 PolyPower Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
VTable of Contents
6.4.2 Elastosil Actuator Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.4.3 Overview of Manufactured Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.5 Measurement Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.5.1 Static Function Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.5.2 Electrical Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.5.3 Dynamic Electromechanical Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.6 Electromechanical Test Results and Model Updating . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.7 Radial Actuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.8 Acoustic Extension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.8.1 Acoustic Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.8.2 Selection of loudspeaker diaphragm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.8.3 Loudspeaker in Closed Cabinet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.8.4 Loudspeaker in Vented Cabinet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.8.5 Bending Wave Transducer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.9 Acoustic Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.10 Demonstrator Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.11 Considerations towards Large-Signal Behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7 Dielectric Elastomer Unimorph Membrane 115
7.1 Membrane Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.2 Model-based Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7.3 Headphones demonstrator construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.4 Measurements and Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
8 Summary and Outlook 129
Appendix 133
A ANSYS APDL simulation code for DE elementary cell model . . . . . . . . . . . . 136
B Additional comparisons of measurement and simulation data . . . . . . . . . . 138 / Electroacoustic systems such as loudspeakers, which convert electrical signals into acoustic signals, are nowadays cornerstones of communication. From microdrivers in headphones and smartphones, to audio systems in vehicles and living rooms, to large sound reinforcement systems in public spaces, cinemas and concerts, as well as numerous technical applications, they are nowadays a ubiquitous part of everyday life. The most common loudspeaker technologies are based on electrodynamic transducers. Since the first patent 145 years ago, they, the necessary power electronics as well as the methods for design and system description in the small- and large- signal range have been continuously developed.
However, research is also constantly looking at alternative technologies that may have advantages over conventional drives. In this context, dielectric elastomers (DE) have gained increasing attention over the past 25 years. They promise, among other things, higher efficiency, novel designs and considerable weight reduction. Moreover, they can be manufactured from inexpensive starting materials without the use of rare-earths elements or ferroelectric materials, which reduces the dependence on raw materials imports and opens up new fields of application.
Despite very active research and development of materials, designs and fabrication, there are only few commercially available actuator applications so far.
A fundamental requirement for the establishment of a technology are standardized and comprehensible methods for predictive system description and for computer-aided system design. These are not yet available for DE in dynamic applications.
In this work, the established design methodology for the predictive description of smallsignal dynamic systems using electromechanical and acoustic networks is being extended to dielectric elastomers. The core element is the derivation of the electromechanical transducer models for DE longitudinal and thickness oszillators. Based on this system description,
design criteria for DE based sound sources are established. The focus lies on practical applicability and the generation of technological advantages compared to electrodynamic transducers. From these criteria, novel transducer concepts in the form of roll actuator driven loudspeaker diaphragms and unimorph membranes are developed, analyzed and realized as demonstrators. In addition, the power electronics are examined, on the basis of which circuits for carrying out metrological investigations and for operating the demonstrators were developed and implemented.
The goal of the work is to provide application developers with better access to the technology using the presented design methodology and thus contribute to the development of DE-based sound sources in particular and dynamic DE actuators in general.:1 Introduction 1
2 Fundamentals of Dielectric Elastomers 5
3 Electromechanical Network Model of Dielectric Elastomers 9
3.1 Transducer Network Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.1.1 Electrostatic Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1.2 Simulative-experimental Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.1.3 Mechanical Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.1.4 Determination of the Parameters at the Operating Point . . . . . . . . . 19
3.1.5 Electromechanical Transducer Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 Electrical Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3 Operating Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4 Mechanical Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4 Power Electronics 37
4.1 Fundamental Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.2 Alternative Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2.1 Adapted Circuit Designs for Capacitive Loads . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2.2 Summing Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3 Realization of Power Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.3.1 Coupling Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.3.2 Branch to Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.3.3 Charging Resistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.3.4 Additional Extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.3.5 Implemented Power Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5 Design of DE Loudspeakers 49
5.1 State of the Art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.1.1 Membrane and Bubble-Loudspeakers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.1.2 Annular Membrane Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.1.3 Preformed Membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.1.4 Thickness Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.2 Fundamental Design Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.3 Proposed Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6 DE-Roll Actuator based Loudspeaker Driver 61
6.1 Fundamentals of DERA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.2 Stability Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.3 Model Computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.3.1 Fundamental Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.4 Construction and Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.4.1 PolyPower Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
VTable of Contents
6.4.2 Elastosil Actuator Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.4.3 Overview of Manufactured Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.5 Measurement Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.5.1 Static Function Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.5.2 Electrical Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.5.3 Dynamic Electromechanical Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.6 Electromechanical Test Results and Model Updating . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.7 Radial Actuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.8 Acoustic Extension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.8.1 Acoustic Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.8.2 Selection of loudspeaker diaphragm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.8.3 Loudspeaker in Closed Cabinet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.8.4 Loudspeaker in Vented Cabinet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.8.5 Bending Wave Transducer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.9 Acoustic Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.10 Demonstrator Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.11 Considerations towards Large-Signal Behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7 Dielectric Elastomer Unimorph Membrane 115
7.1 Membrane Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.2 Model-based Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7.3 Headphones demonstrator construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.4 Measurements and Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
8 Summary and Outlook 129
Appendix 133
A ANSYS APDL simulation code for DE elementary cell model . . . . . . . . . . . . 136
B Additional comparisons of measurement and simulation data . . . . . . . . . . 138
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Soft nanocomposites with enhanced electromechanical response for dielectric elastomer actuatorsStoyanov, Hristiyan January 2011 (has links)
Electromechanical transducers based on elastomer capacitors are presently considered for many soft actuation applications, due to their large reversible deformation in response to electric field induced electrostatic pressure. The high operating voltage of such devices is currently a large drawback, hindering their use in applications such as biomedical devices and biomimetic robots, however, they could be improved with a careful design of their material properties. The main targets for improving their properties are increasing the relative permittivity of the active material, while maintaining high electric breakdown strength and low stiffness, which would lead to enhanced electrostatic storage ability and hence, reduced operating voltage. Improvement of the functional properties is possible through the use of nanocomposites. These exploit the high surface-to-volume ratio of the nanoscale filler, resulting in large effects on macroscale properties.
This thesis explores several strategies for nanomaterials design. The resulting nanocomposites are fully characterized with respect to their electrical and mechanical properties, by use of dielectric spectroscopy, tensile mechanical analysis, and electric breakdown tests. First, nanocomposites consisting of high permittivity rutile TiO2 nanoparticles dispersed in thermoplastic block copolymer SEBS (poly-styrene-coethylene-co-butylene-co-styrene) are shown to exhibit permittivity increases of up to 3.7 times, leading to 5.6 times improvement in electrostatic energy density, but with a trade-off in mechanical properties (an 8-fold increase in stiffness). The variation in both electrical and mechanical properties still allows for electromechanical improvement, such that a 27 % reduction of the electric field is found compared to the pure elastomer. Second, it is shown that the use of nanofiller conductive particles (carbon black (CB)) can lead to a strong increase of relative permittivity through percolation, however, with detrimental side effects. These are due to localized enhancement of the electric field within the composite, which leads to sharp reductions in electric field strength. Hence, the increase in permittivity does not make up for the reduction in breakdown strength in relation to stored electrical energy, which may prohibit their practical use. Third, a completely new approach for increasing the relative permittivity and electrostatic energy density of a polymer based on 'molecular composites' is presented, relying on chemically grafting soft π-conjugated macromolecules to a flexible elastomer backbone. Polarization caused by charge displacement along the conjugated backbone is found to induce a large and controlled permittivity enhancement
(470 % over the elastomer matrix), while chemical bonding, encapsulates the PANI chains manifesting in hardly any reduction in electric breakdown strength, and hence resulting in a large increase in stored electrostatic energy. This is shown to lead to an improvement in the sensitivity of the measured electromechanical response (83 % reduction of the driving electric field) as well as in the maximum actuation strain (250 %). These results represent a large step forward in the understanding of the strategies which can be employed to obtain high permittivity polymer materials with practical use for electro-elastomer actuation. / Die Palette von elektro-mechanischen Aktuatoren, basierend auf dem Prinzip weicher dehnbarer Kondensatoren, scheint besonders für Anwendungen in der Medizin und für biomimetische Applikationen unbegrenzt. Diese Wandler zeichnen sich sowohl durch hohe Reversibilität bei großer mechanischer Deformation als auch durch ihre Flexibilität aus, wobei die mechanischen Deformationen durch elektrische Felder induziert werden. Die Notwendigkeit von hoher elektrischer Spannung zur Erzeugung dieser mechanischen Deformationen verzögert jedoch die technisch einfache und breite Markteinführung dieser Technologie. Diesem Problem kann durch eine gezielte Materialmodifikation begegnet werden. Eine Modifikation hat das Ziel, die relative Permittivität zu erhöhen, wobei die Flexibilität und die hohe elektrische Durchbruchsfeldstärke beibehalten werden sollten. Durch eine Materialmodifikation kann die Energiedichte des Materials bedeutend erhöht und somit die notwendige Betriebsspannung des Aktuators herabgesetzt werden. Eine Verbesserung der funktionalen Materialeigenschaften kann durch die Verwendung von Nanokompositen erzielt werden, welche die fundamentalen Eigenschaften der Nanopartikel, d.h. ein gutes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen nutzen, um eine gezielte makroskopische Materialmodifikation zu bewirken.
Diese Arbeit behandelt die Anwendung innovativer Strategien für die Erzeugung von Nanomaterialien mit hoher Permittivität. Die so erzeugten Materialien und deren relevante Aktuatorkenngrößen werden durch elektrische und mechanische Experimente vollständig erfasst. Mittels der klassischen Mischansätze zur Erzeugung von Kompositmaterialen mit hoher Permittivität konnte durch nichtleitendes Titaniumdioxid TiO2 (Rutile) in einem Thermoplastischen-Block-Co-Polymer SEBS (poly-styrene-co-ethylene-cobutylene-co-styrene) die Permittivität bereits um 370 % erhöht und die elektrische Energiedichte um 570 % gesteigert werden. Diese Veränderungen führten jedoch zu einem signifikanten Anstieg der Steifigkeit des Materials. Aufgrund der positiven Rückkopplung von elektrischen und mechanischen Eigenschaften des Kompositmaterials ermöglicht bereits dieser einfache Ansatz eine Verbesserung der Aktuation, bei einer 27 %-igen Reduktion der Aktuatorbetriebsspannung. Eine direkte Verwendung von leitfähigen Nanopartikeln kann ebenso zu einem Anstieg der relativen Permittivität beitragen, wobei jedoch die Leitfähigkeit dieser Nanopartikel bedeutende Wechselwirkungen verursacht, welche somit die Energiedichte des Materials negativ beeinflusst und die praktische Verwendung dieses Kompositsystems ausschließt. Als ein völlig neuer Ansatz zur Steigerung der relativen Permittivität und Energiedichte und abweichend vom klassischen Mischverfahren, wird die Herstellung eines "Molekularen Komposits", basierend auf einem chemischen Propfverfahren, präsentiert. In diesem Ansatz wird ein π-konjugiertes leitfähiges Polymer (PANI) an die Hauptkette des Elastomers der Polymermatrix gebunden. Die daraus resultierende Ladungsverteilung entlang der Elastomerhauptkette bewirkt eine 470 %-ige Steigerung der Permittivität des "Molekularen Komposits" im Vergleich zur Permittivität des unbehandelten Elastomermaterials. Aufgrund der Verkapselung der chemischen Bindungen der PANI-Kette entstehen kaum negative Rückwirkungen auf die elektrischen und mechanischen Eigenschaften des so erzeugten Komposits. Diese Materialeigenschaften resultieren in einem signifikanten Anstieg der Energiedichte des Materials. Das mittels dieses Verfahrens erzeugte Komposit zeigt sowohl eine Steigerung der Sensitivität der elektromechanischen Antwort (Reduktion des elektrischen Felds um 83 %) als auch eine bedeutende Steigerung der maximalen Aktuation (250 %). Die Ergebnisse und Ideen dieser Arbeit stellen einen wesentlichen Sprung im Verständnis zur Permittivitätssteigerung in Polymermaterialien dar und werden deshalb in der Erforschung und Entwicklung von Elastomeraktuatoren Beachtung finden.
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Investigation of the thermal effects in dynamically driven dielectric elastomer actuatorsKleo, Mario, Mößinger, Holger, Förster-Zügel, Florentine, Schlaak, Helmut F., Wallmersperger, Thomas 13 August 2020 (has links)
Dielectric elastomer actuators (DEAs) are compliant capacitors, which are able to transduce electrical into mechanical energy and vice versa. As they may be applied in different surrounding conditions and in applications with alternating excitations, it is necessary to investigate both, the thermal behavior and the in fluence of the temperature change during operation. Due to mechanical and electrical loss mechanisms during the energy transfer, the DEA is subjected to an intrinsic heating. In detail, the dielectric material, which has viscoelastic properties, shows a mechanical hysteresis under varying mechanical loads. This behavior leads to a viscoelastic loss of energy in the polymer layer, resulting in a heating of the structure. The non-ideal conduction of the electrode provokes a resistive loss when charging and discharging the electrode layer. Operation with frequencies in the kilohertz-range leads to remarkable local heat dissipation. The viscoelastic material behavior and the resistivity are assumed to be dependent on the temperature and/or on the strain of the material. By this, a back-coupling from the thermal field to the mechanical field or the electrical field is observed. In order to provide a thermal equilibrium, also the convective cooling { the structure is subjected to { has to be considered. Depending on the frequency and the type of electrical driving signal and mechanical load, viscoelastic and resistive heating provide different contributions during the dynamic process. In the present study we capture the described effects within our modeling approach. For a given dielectric elastomer actuator, numerical investigations are performed for a given electrical load.
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Soft dielectric elastomer oscillators driving bioinspired robotsHenke, E.-F. Markus, Schlatter, Samuel, Anderson, Iain A. 29 January 2019 (has links)
Entirely soft robots with animal-like behavior and integrated artificial nervous systems will open up totally new perspectives and applications. To produce them we must integrate control and actuation in the same soft structure. Soft actuators (e.g. pneumatic, and hydraulic) exist but electronics are hard and stiff and remotely located. We present novel soft, electronicsfree dielectric elastomer oscillators, able to drive bioinspired robots. As a demonstrator we present a robot that mimics the crawling motion of the caterpillar, with integrated artificial nervous system, soft actuators and without any conventional stiff electronic parts. Supplied with an external DC voltage, the robot autonomously generates all signals necessary to drive its dielectric elastomer actuators, and translates an in-plane electromechanical oscillation into a crawling locomotion movement. Thereby, all functional and supporting parts are made of polymer materials and carbon. Besides the basic design of this first electronic-free, biomimetic robot we present prospects to control the general behavior of such robots. The absence of conventional stiff electronics and the exclusive use of polymeric materials will provide a large step towards real animal-like robots, compliant human machine interfaces and a new class of distributed, neuron-like internal control for robotic systems.
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Advanced Development of a Smart Material Design, Modeling, and Selection Tool with an Emphasis on Liquid Crystal ElastomersPark, Jung-Kyu 20 December 2012 (has links)
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