基于介电弹性体机械致电模式的振动能量收集装置

1、基于介电弹性体机械致电模式的振动能量收集装置焦阳 赵林建 陈科文航天学院指导教师：刘彦菊 教授1. 课题研究目的 本项目主要研究利用介电弹性体的机械致电性能来实现能量收集的方案。2课题背景介电弹性体(Dielectric Elastomer：DE)是电致活性聚合物中的一种，它也被称为电致活性聚合物人工肌肉(EPAM)，是由国际研究机构SRI International自1991年其问世以来研究发展起来的。它具有超大变形(380)、高弹性能密度(3.4J/g)，高效率和超短反应时间、疲劳寿命高、循环次数高等特点。 目前，国外对此材料已开展了不少研究，国内的研究相对较少。目前，被研究相对较多的是介

2、电弹性体的激励模式。不过近年介电弹性体机械致电模式也逐渐引起了人们的重视。 现有的研究已充分表明，介电弹性体是一种极有发展潜力的智能材料，其良好的回弹性、耐断裂性、低价格、低消耗功率、高弹性能量使其在仿生领域、航空航天领域、军事情报等高特技领域发挥着巨大作用。而作为介电弹性体重要发展方向的介电弹性体能量收集装置毫无疑问地具有巨大的意义和实用前景。试想：如能将一些日常活中易被忽视的能量（如波浪能）利用介电弹性体收集起来，每年产生的经济和社会效益都将会是很可观的。3课题研究主要内容3.1 介电弹性体机械致电模式的原理以及一种新的发电模式的提出 介电弹性体的激励模式是通过纯粹的静电场力来实现其自身变

3、形的过程，而机械致电模式则可理解为其反过程。在介电弹性体膜的两个表面覆盖柔性电极，当压力施加于其表面时，介电弹性体发生厚度方向的收缩和薄膜表面面积的扩张。外界的机械能转化为介电弹性体的弹性应变能。此时，将一适当的电压施加于两极之间，撤去外力，在弹性回复力的作用下，介电弹性体将试图恢复原来的形状，亦即发生厚度的增加和薄膜表面面积的减少。此时两带电平行电极的距离增加，面积减少，电场力做负功，电极间电压升高，介电弹性体所含应变能减少，电能增加。机械能到电能的转换完成。图1 介电弹性体机械致电模式基本原理示意图图2 恒电量模式下的力-膜厚度关系弹性回复力电场力介点弹性体膜厚度ddsdcdo力耗散掉的能

4、量介点弹性体膜厚度ddsdcdo力Q2Q3Q1 > Q2> Q3转换的能量Q1图3全效模式下的力-膜厚度关系 此过程中，介电弹性体膜收缩时其上下表面所带有的异号电荷量始终没有改变。我们把这种情形叫做恒电量模式。尽管恒电量模式原理简单、易于实现，但是它存在效率不高的问题，不能将机械能完全地转化为电能。当介电弹性体膜从受挤压的状态收缩回原状态时，弹性回复力和电场力这两个力一个减小一个增大。它们之间的不匹配使得存储的相当一部分的弹性应变能在介电弹性体膜收缩完成后耗散掉了（如图2所示）。对此，我们提出了一种全效发电模式，理论上它可将弹性应变能全部转化为电能。当介点弹性体膜被外界挤压到膜厚为

5、ds时，在其上下表面施加一足够高的电压，使其带有Q1的电量，以至于电场力与当前的弹性回复力相平衡。然后，将介电弹性体膜所带的电量慢慢放掉，直至膜厚度达到一个特定值dc。在这个过程中，电场力几乎总是与弹性回复力相平衡，介电弹性体膜处于一准静态过程。到任意时刻，介电弹性体的弹性回复力与电场力所做的功均相等，弹性应变能完全转换为电能（见图3）。3.2 扩大介电弹性体膜的能量转换规模 事实表明，在目前的技术条件下，提高收缩状态下介电弹性体膜的电容值Cc是扩大介电弹性体膜的能量转换规模的关键。由电容的计算公式提高介电弹性体膜电容的工作，可从以下三方面展开。3.2.1提高介电弹性体的相对介电常数r 在硅橡

6、胶固化前，我们在其各组分中混合物中加入相对介电常数达到1500的BaTiO3粉末，待其固化之后对其介电常数进行测试。我们发现尽管硅橡胶的相对介电常数有了一定提高，但是其击穿电压普遍降低了。在大多数情况下，掺入高相对介电常数的粉末时，我们同时掺入的也是有较低击穿场强的物质，这种矛盾使我们没有在提高相对介电常数上获得更好的效果。3.2.2增大介电弹性体膜的面积A 图4 介电弹性体硅橡胶固化成型膜具 我们在玻璃板上用长直尺围成的尺寸达到了20cm×200cm膜具（见图4），其上所固化成型的薄膜厚度在1mm左右。同时我们尝试了两种基本的介电弹性体能量收集器形式卷曲式和堆栈式能量收集器（图5、

7、图6）。相比而言，卷曲式能量收集器是为被拉伸而设计的，而堆栈式是用来挤压的，前者所能产生的形变更大，其电容值和电能的增加比率也更大，并且前者只需要引两根线出来，而后者每层都要引线。照此，我们理应选择卷曲式能量收图5 卷曲式介电弹性体振动能量收集器集器。 图6 堆栈式介电弹性体振动能量收集器 然而，由于卷曲式能量收集器需要将两层大张的硅橡胶膜卷起，它的制作难度要高于堆栈式能量收集器。并且我 们所试制的两个卷曲形能量收集器都先后出现了短路的现象，这说明它的可靠性并不高。相反，堆栈式能量收集器的只需要将多张小面积的介电弹性体膜叠起并分别引线即可。并且它具有较高的可靠性，即使其中一层击穿了，只要稍作处

8、理将相应几层取出，仍可以继续使用。图7 堆栈式能量收集器的制备过程脱膜图8 堆栈式能量收集器的制备过程涂覆柔性电极3.2.3 降低介电弹性体膜的厚度依靠固化模具固化成型很难做出厚度均匀且比较薄的硅橡胶薄膜。要达到目的，一个很自然的想法就是压延法。然而，在长时间的摸索中我们发现粘稠的硅橡胶各组分混合物溶液竟然有着“无孔不入”的本领我们所发现的另一个更为有用的现象是，仅仅依靠流延法就能形成厚度基本均匀且比较薄的硅橡胶薄膜，薄膜厚度基本在200m以下，如果进行适当的预拉伸可将薄膜厚度降至50m以下。但如果想要完整脱模就必须在基底上下功夫。因为一般材料都和刚固化硅橡胶有一定粘接力，目前我们所发现的能够

9、作为基底使硅橡胶固化并且完整脱模的只有一次性塑料杯所用材料和大棚用聚乙烯材料。在对流延法成型的硅橡胶薄膜进行击穿电压测试时，我们得到了比较离散的结果，有的进行了充分的预拉伸，可以“坚持”到1300V，而有的预拉伸程度很小却达不到900V，这可能是目前工艺水平不足导致的偶然性的局部击穿。4成果介绍 综合前面的研究，我们设计制作了一个介电弹性体硅橡胶波浪振动能量收集装置。图9介电弹性体硅橡胶波浪振动能量收集装置图10介电弹性体硅橡胶波浪振动能量收集装置俯视图图11 堆栈式振动能量收集器4.1介电弹性体硅橡胶波浪振动能量收集装置简介该装置工作在介电弹性体的恒电量模式下，内置三个圆柱形堆栈式硅橡胶振动

10、能量收集器。振动能量收集器的直径统一为60mm，圆形电极直径44mm。三个振动能量收集器的层数分别为60层，50层，55层。此装置是要漂浮于水上的，其自重不宜过大，我们选择有机玻璃（密度1.8g/cm3）作为其主要构件的材料，同时也便于观察和明示原理。其余构件均选择硬铝合金2A12（密度2.8g/cm3）作为其材料。至于浮体则采用浮标常用的发泡PE板制成。图12 介电弹性体硅橡胶波浪振动能量收集装置结构示意图4.2介电弹性体硅橡胶波浪振动能量收集装置的工作原理 堆栈型硅橡胶能量收集器被安置在关于装置中轴线对称的三个套筒内。套筒连同上板、下板以及支柱都通过三条支架腿与下方的浮体相固连。在每个套筒

11、内，都有一个压锤压在硅橡胶能量收集器上。三个压锤被分别铰接在装置顶部星形盘的三个角上。星形盘的中央铰支座与一拉杆相连，拉杆穿过上板和下板的中心孔后与一刚性绳相连，绳子的另一端被牢系于水底。当水面产生波浪时，套筒会随着浮体而做上下运动。而压锤与水底相连，它并不会做幅度太大的上下运动，套筒内的能量收集器便会受到重复性的挤压，从而完成一次又一次的机械能到电能的转化。5体会与收获 在项目的实施中，我们有过不少新奇的想法，比如将硅橡胶薄膜做成气球状，然后用气缸和活塞对其进行加载；针对于在介电弹性体表面涂抹柔性电极的耗时耗力，我们试图在模具上涂抹柔性电极，使介电弹性体固化后便可直接使用；再比如，我们曾尝试用正压电效应下的压电陶瓷来代替高压电源。尽管最终这些想法都由于这样或那样的原因没有实现，但它们同样是重要的。因为在技术和工艺不断进步的现在，它们中有的或许会凭借自己不可替代的优点渐渐成为相关研究的主流观点或方案。 在我们所产生的各种想法中，有多半是在实验过程中产生的。即使是那