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1、丙烯酸介电高弹聚合物与偶氮苯液晶高弹聚合物力学性质的研究 论文作者签名: 墓骛指导教师签论文评阅人:逝丝圣些查耋么至塑墨邀评阅人:评阅人:评阅人.评阅人:答辩委员会主席:逝鎏查望么超圣二丛拯委员:委员:委员:委员.盟盟垭挝啦龃逝犁委员:答辩日期:限.:巡嗵堕 一:踯邀 嶝坐:、.%浙江大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得逝姿态堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明
2、并表示谢意。签字日期:学位论文作者签名:毒无端 如厅年弓月/日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 有权保留并向国家有关部门或机构送交本澎鎏盘堂论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后适用本授权书导师签名:学位论文作者签名:毒元端诺辑也签字日期:烈年月甲日签字日期:妙多年了月午日摘要摘要软物质是处于理想流体与固体之间的一类物质,一般由大分子或基团组成,包括液晶、聚合物、胶体以及生命体物质等。介电高弹聚合物与液晶高弹聚合物是研究中常见的
3、两种软物质材料,它们在外界的刺激下能可逆的改变自身的形状,可用于制作各类驱动器、传感器和人工肌肉等。本文研究了介电高弹聚合物材料喇单轴拉伸下的相关力学性质,设计了偶氮苯液晶高弹聚合物的光电转器件模型并研究了其光一力一电耦合性质。研究表明,薄膜材料单轴拉伸应变达%时,材料表现出了较好的弹性及粘弹性恢复能力,材料所承受的最大拉力在高速率拉伸时是随着尺寸增加而缓慢递减的,在低速率拉伸时基本保持不变。薄膜材料拉伸断裂时,裂纹扩展速率及裂纹刚开始扩展时所需驱动力均受到样品尺寸、预裂纹长度以及拉伸速率三方面因素的影响;样品尺寸及预裂纹长度一定时,裂纹刚开始扩展时材料的拉伸应变几乎不受拉伸速率的影响。对含预
4、裂纹的。薄膜材料进行准静态位移加载下的有限元模拟分析表明,八类实验样品在裂纹刚开始扩展时裂尖处纵向上的最大应变值几乎是相同的,均处于.至.范围内。光电转换器件模型的光一力一电转换理论分析表明,当一定光强范围内紫外光沿径向方向照射时,该器件模型产生的感应电荷量与紫外光光强厶呈线性关系;器件模型光电耦合系数仅其内外半径、的相对大小、器件的轴向长度从层的厚度、铁电驻极体的压电系数以,以及相关材料参数有关。关键词:介电高弹聚合物,液晶高弹聚合物,粘弹性,型断裂,光电耦合 , , .,. . , ., , . / % . : : ,. ,. . ., ., ,.,: ,目录摘要?.?.?.?.?.?.目
5、录.第一章绪论.研究的背景及意义?。.软物质?.功能软物质材料.介电高弹聚合物.介电高弹聚合物材料简介.介电高弹聚合物材料研究现状.液晶高弹聚合物.液晶高弹聚合物材料简介?.液晶高弹聚合物材料研究现状?.本文的研究目的和内容第二章实验过程及研究方法?. .实验原料及设备.实验原料.实验设备.样品制备.。?型拉伸样品的制备?. .预裂纹型断裂样品的制备.样品测试及分析第三章丙烯酸介电高弹聚合物力学性质研究?.引言?.实验部分.样品制备.丙烯酸介电高弹聚合物力学性质测试.结果与讨论?.型样品形变研究.型样品力学测试分析?.本章小结第四章丙烯酸介电高弹聚合物断裂失效研究?.。引言?.实验部分.样品制
6、备?一.丙烯酸介电高弹聚合物断裂失效测试.有限元模拟?.结果与讨论?.预裂纹型断裂样品扩展过程?.。预裂纹型断裂样品力学测试分析.预裂纹型断裂样品有限元分析?.本章小结第五章液晶高弹聚合物和铁电驻极体复合结构器件设计?.引言?.铁电驻极体材料简介.复合结构光电转换器件模型及分析?.?.器件模型设计.液晶高弹聚合物光力耦合性质.器件数学模型分析?.结果与讨论?.本章小结第六章结论.参考文献?.致谢.个人简历?.攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果?第一章绪论第一章绪论.研究的背景及意义.软物质人类文明的进步是伴随着新材料的发现和应用而取得的。世纪开拓了对物质世界的新认识,通过对传统“硬
7、物质”如金属、陶瓷、玻璃等的研究、开发和利用,科学技术的发展及社会生活的面貌有了质的飞跃【】。然而,另一类很重要的物质,它与我们的生产生活也同样息息相关,但我们对它的研究认识总体上还是比较少的,这就是“软物质。软物质是什么呢物理学家们在世纪年代末将软物质作为一类普遍的”,这一叫法是不够恰当物质形态研究时,曾称其为“复杂流体的,因为人类最早接触到的软物质一一橡胶,就不是流体,但是这一称谓却很好的表明了软物质诸多主要性质中的两点:复杂性,从某种原始意义上说,当今生物学的研究是从简单的模型体系细菌,逐渐发展到植物、无脊椎动物、脊椎动物等复杂多细胞生物的。类似的,在本世纪前半叶原子物理研究不断分化的进
8、程中,其中的一个研究发展方向便是软物质系统,它的研究对象包括表面活性剂、聚合物、液晶以及胶状晶体等。构成软物质的基元大多数是化学结构比较复杂的链状和支状分子,例如各种聚合物分子等,这些分子自身具有不同的功能团,比如两亲分子的不同部位对周围介质环境有着不同的响应,自组装形成了多种多样复杂的结构,如蛋白质分子的空间折叠、胶体悬浮液中胶体颗粒所形成的分形结构、镶嵌聚合物的奇特结构等。柔韧性,这可以用一个具体的实验故事来说明。故事起源于约年前,当时生活在亚马逊河流域的印第安土著人,他们收集三叶胶树中的树汁,然后将树汁涂到脚上,大约分钟后,这种奇怪的液体就凝成了一双合脚的靴子。这一点可以从微观上来解释,
9、三叶胶树汁中含有大量独立的柔性高分子链,在空气中高分子链里的碳原子和氧气发生反应,建立了一些“氧桥”将高分子链连接起来,既而出现了故事中所述的惊人变化:三叶胶树汁从液体变化成可以承受拉伸的网状结构一一现在称为橡胶。上述实验故事向我们阐述了一个令人惊叹的事实,即非常轻微的化学作用能够诱发极大的力学性质变化一一这就是软物质的典型特性。软物质这一概念是著名法国物理学家. ,在年诺贝尔颁奖浙江大学硕士学位论文典礼上提出的。顾名思义,软物质就是形态易发生变化的物质,对其施加很小的刺激,它就会表现出很大的变化,是介于理想流体和固体之间具有一定流动性的一类物质。软物质与人们的生活息息相关,例如橡胶、墨水、人
10、造纤维、饮料、洗涤液、乳液以及药品和化妆品等;生物体基本上也都是由软物质组成,例如体液、细胞、蛋白质等;在工业生产上软物质也有着广泛的应用,如液晶、聚合物等【】。世纪是生命科学的世纪,然而,任何生命结构蛋白质、等等都是建立在软物质基础上的。软物质作为人类未来技术中的重要组成部分和生命本身不可或缺的基石,它的许多新奇行为、丰富的物理内涵以及广泛的应用背景引起了越来越多物理学家的兴趣。软物质物理已经成为物理学的一个新的前沿学科,是具有挑战性和迫切性的重要研究方向。软物质的研究不仅限制在物理界,软物质科学还涉及了力学、生物、材料、化学等多个领域,对软物质的深入研究,将对化学化工、医学、药学、生命科学
11、、食品、材料、环境、工程等领域及人们的日常生活有着广大的影响。.功能软物质材料功能材料是新材料领域的核心,是国民经济、社会发展和国防建设的基础和先导。它涉及了信息技术、生物技术、能源技术、纳米技术、计算机技术等现代高新技术及产业。功能材料不仅对高新技术的发展起着重要的支撑和推动作用,还对我国相关传统产业的升级和改造,实现跨越式发展起着重要的促进作用。它是指那些具有优良的电学、光学、热学、声学、磁学、力学、生物医学等功能,有着特殊的物理、化学、生物学效应,并且能完成功能间的相互转换,主要用于制造各种功能元件被广泛用于各类高新科技领域的高新技术材料。在日常生活中常见的功能材料例子包括:照像机胶卷上
12、的感光材料,日光灯管内壁的荧光材料,汽车水箱上温度监视系统中的温敏电阻等。功能材料的应用和发展,极大的改变了人们的生产、生活方式,同时也拓展了人类的生存空间。随着人类社会的发展与科学技术的进步,功能软物质材料,作为一种新型的功能材料受到了人们的广泛关注。功能软物质材料除了在受到外界刺激能产生相应的功能响应外,还拥有着软物质所特有的某些性质,譬如结构复杂、质地柔软。类似于传统硬质功能材料,功能软物质材料对外界的刺激紫外光、温度场、电磁场、机械载荷等能够产生不同形式的功能响应,例如,电磁流变液,这是一种固体粉末和液体混合物体系,通过改变所施加的电场或磁场强度,能够连续调节其软硬程度【引,并且响应时
13、间非常快,这种奇特性质,可应用于机电一体控制的一些元件或部件,像离合器、减震器、机器人、制动器等。较传统的硬质功能材料而言,功能软物质材料还有着如下的优点:在很小的刺激作用下能产生较大的功能响应,密度较小、制造成本低廉,承受变形的能力较大,具备优第一章绪论良的生物亲和性等。功能软物质材料在实际工程应用中十分广泛,在石油开密封、微流体药品输送、智能柔性机器人、潮汐能源收集等方面都可见到它们的身影。此外,功能软物质材料的应用前景也很大,在柔性电子、智能仿生、航空航天、生物医药以及新能源等领域都将占有一席之地【。在进一步的应用及研究发展中,可以将功能软材料与一些结构材料结合起来,实现传感、机械运动和
14、控制等的一体化,使复合后的构件具有承载一定功能的同时,还具有特殊的感知和响应功能,能够感知捕获构件所追踪的信号并作出相应结构或形状上的改变,实现构件的自动化或智能化。实验研究中常见的功能软物质材料有:形状记忆聚合物,铁电驻极体,电磁流变液,铁电聚合物,功能水凝胶,液晶高弹聚合物,介电高弹聚合物等。表.中简要介绍了几种功能材料和其相应的响应方式及现象【。表.功能软物质材料及其响应方式和响应行为【。.:巴。?一, 一。为:一 .之 为一一圜:隳黑塑 雾黪辫茏囊幽 浙江大学硕士学位论文也可以使上述驱动器完成更为精细的工作【】。当人们的肌肉由于各种原因而失去工作能力时,传统的这些驱动技术并不能发挥出与
15、天然肌肉相类似的性质。较传统驱动材料不同的是,功能软物质材料在受到外界微小刺激时能迅速较大的改变自身状态,外加刺激消除后,又能马上恢复原来的面貌,这些都与天然肌肉的性.质非常相似。 等人研究并对比了一些功能软物质材料与天然肌肉的性能指标【】如下表.所示,发现其中某些功能软物质材料介电高弹聚合物、液晶高弹聚合物等作为人类医疗辅助设备人工肌肉等的驱动材料潜力是非常巨大的。表.功能软物质材料与哺乳动物骨骼肌肉性能对比【】. 】% 打 【 / ,%/ %一% /.?/,%曲 / 巧 . 第一章绪论% %/ % 一 / % /.%巧/?% % %浙江大学硕士学位论文一类特殊的功能软材料一一电活性高聚物,
16、它们在外加电场的作用时能够改变自己的形状,外加电场撤除后,又能立即恢复形变。这类材料可用来设计和制造各种器件,如驱动器、传感器、能量收集器等。材料有着大变形、噪声低、密度小、变形大等优点,是一类有着巨大应用发展潜力的多功能软物质材料。按照材料的驱动机理不同,可将其分为电子型与离子型两类【。电子型材料在驱动中,主要是依靠电子的运动产生施加于材料上的电场。具体例子有:铁电高聚物,介电高弹聚合物,液晶高弹聚合物和电致伸缩弹性体材料等。一般情况下,较高的外加电场/才能使得电子型产生一定的形变。离子型材料一般由电解液与电极组成,在驱动时会发生正负离子的迁移。具体材料包括:电致流变液体、离子聚合物金属复合
17、材料、离子聚合物凝胶体等。离子型材料正常工作时,需要保持湿润的工作环境,与电子型材料不同的是,在较低的电压下它就能够产生稳定的伸长、收缩或者弯曲等行为。如今,材料已经在机械驱动器、能量收集器、传感器、人工手臂、盲文显示器、飞艇控制舵、面部表情以及可调光学系系等方面有所应用,是一种有着巨大发展潜力的功能软材料。.介电高弹聚合物.介电高弹聚合物材料简介介电高弹聚合物是制造智能驱动器最有潜力的材料之一,这一称谓最早由美国斯坦福研究院于世纪年代提出。它不仅有着材料的一般特性,即在外界电刺激下可改变自身的形状或体积,外界电刺激撤消后又能恢复原样,而且还具有介电常数高、弹性好、机电转换效率高、反应时间短、
18、密度低等优点。因此,从上世纪年代起,国内外的很多学者投入到的基础研究及潜在应用研究中来,包括的基本性能、理论分析模型以及在航空航天、智能机器人、医疗卫生等方面应用探索。介电高弹聚合物是由高分子长链经过相互交联形成的三维长链网络,如下图.所示。高分子长链由交联体相互联接,每一条高分子长链又是由多个单体组成。这样的分子结构使得介电高弹聚合物材料具有如下的力电行为特性.介电高弹聚合物的变形主要来源于聚合物中网络结构的重构和高分子长链的伸长,分子内的化学键并没有受到拉伸,因而单个分子内的原子间距离不变。当介电高弹聚合物处于大变形状态时,其形状的改变程度远大于体形的改变,因而通常认为介电高弹聚合物是不可
19、压的,即在变形过程中保持体积不变。介电高第一章绪论弹聚合物在受到外界拉伸载荷时,其内处于卷曲状的高分子长链也受拉伸并导致卷曲度减小,长链两端间的距离也随着载荷的增大而变大,并逐渐达到分子链的理论长度。这一微观状态对应的宏观表现是,介电高弹聚合物已被拉伸至接近极限伸长,此时,其杨氏模量也急剧增大。介电高弹聚合物处于外加电场中发生极化时,高分子长链中的单体是处于极化变形或转动状态的。在极化过程中,交联体几乎不影响间体的极化,即聚合物类似于熔融态聚合物一样自由极化。极化并不会影响介电高弹聚合物的宏观变形,同时聚合物的变形也对其介电性能影响很小。?交联体?单体,图.介电高弹聚合物示意图,高分子长链,交
20、联网状结构邮嫩 。眦眦【聊在介电高弹聚合物材料上下两表面涂上一层柔性电极如碳膏,制作成一个简单的驱动器以实现电能到机械能的转换郐。该驱动器从原理上讲是一个平行板电容器,施加上千伏的高电压后,驱动器上下表面由于充电带有电性相反的电荷,在静电力应力的作用使材料发生挤压,其厚度变小,面积变大,如图.所示图中箭头方向代表薄膜变形方向。引起材料变形的应力可如下表示【:.式中、分别为真空介电常数和材料的相对介电常数,为所施加的电场强度。浙江大学硕士学位论文 图.驱动器工作原理 . 中: 介电高弹聚合物及相关器件、结构设计在最近得到了迅速的发展。提高电致 变形能力、降低驱动电压、提高能量利用率等问题是更好的
21、实现介电高弹聚合物 应用所面临的诸多挑战。由于介电高弹聚合物的大变形及力电耦合加载特征,进 一步研究其结构及力学行为显得非常重要,这将对材料及器件的设计有着一定的 指导意义。 .介电高弹聚合物材料研究现状 目前常用的介电高弹聚合物材料包括硅橡胶、聚氨酯弹性体、丙烯酸酯弹性 体、丁腈橡胶、亚乙烯基氟化三氟乙烯及其相应的复合材料等。在制备上,介电 高弹聚合物的性能指标主要有杨氏模量、介电常数、击穿电压和响应速率等【。 实验中发现,介电高弹聚合物所需要的驱动电压或者电场非常高,这极大的 限制了介电高弹聚合物驱动器的发展与应用。现阶段,研究人员通过各种方法设 计新型的介电高弹聚合物材料以提高其力电性能
22、,例如:.等人将硅橡 胶经助溶剂作用分散到丙烯酸脂胀网络中,丙烯酸酯与硅橡胶产生化学交联,形 成了相互贯穿的聚合物网络结构【。用厚的 薄膜作基体,分别 用糊状硅橡胶, 和一,德国公司和液态硅 橡胶,一 ,美国 公司作填料,制得两种复合 材料。结果表明,相同电场强度下复合材料的应力比 有所提 高,但是却没给出介电常数及模量的变化。 等人将钛酸钡填料加 入硅橡胶基体中,制得一种硅橡胶复合材料【。由于陶瓷填料较坚硬,因而复合 材料的模量会随填料用量的增加而上升。实验表明,填料质量分数为%时,复 合材料的机电性能最佳,接近电压下的应变可达%。等人在 丙烯酸内部网络中引进第二种聚合物网络 第一章绪论或
23、,如下图.所示,使得薄膜在脱离刚性支撑的情况下能保持预拉伸状态,获得了更好的机电效果口。图.互穿网络结构聚合物示意图【 .关于介电高弹聚合物材料目前的研究课题主要集中在丙烯酸酯及硅橡胶方面。研究中要协调好两类关系:介电性能与材料模量的关系,介电性能与击穿电压的关系。由于丙烯酸酯的模量受温度影响很大,并具有粘弹性,应变响应较慢,硅橡胶复合材料在应用可能更具优势。近些年,研究人员对介电高弹聚合物驱动器的实验研究也取得了很多进展。如图.所示聚丙烯酸硅胶膜线性驱动器在电压作用下可达%的形变。等人报导了如图.所示的卷筒驱动器既能实现伸长又能实现收缩的功能【】。秘 瞳镰辨嗽戳蛳翔翻融搬娜图.线性预拉伸膜驱
24、动器【】.罐赫蕾 鋈图.卷筒驱动器【】.浙江大学硕士学位论文以下几个个很好的例子,强有力的展示了驱动器的应用前景。图.为.等人用卷筒形驱动器所做的一个比臂力机器人及其内部组装图【】。图.为由所设计的两个非常有趣的机器人,它们分别被称为和。 的腿是用优化后的卷筒驱动器制作的,每个腿上包含两个卷筒驱动器,其行走速率可达./;是由多自由度的卷筒驱动器制作的一个六足机器人,其行走速率超过了/。图.是采用介电高弹聚合物制成的四爪装制来模拟人手抓取岩石,可以看到实验效果非常不错。图.臂力较量机器人,设备组装图,臂力较量图【】,四。眦。.加、一鸭监弱呻攀,镭挚图.行走机器人,机器人,砸黜脱机器入四, ,【】
25、. 图.介电高弹聚合物制成的爪夹装置 【】.第一章绪论介电高弹聚合物驱动器的研究目前还处于初级阶段,将来它会有更加广阔的应用空间,例如,用电激发的介电高聚合物制造出可刷新的显示器以替代传统的盲文印刷书,该显示器中将用毫米尺寸的驱动器来控制触觉点的模式;智能设备及平板电脑等的触屏上往往缺乏触觉反馈,在这些设备上使用介电高弹聚合物驱动器,能够达到增强用户体验的效果口。.液晶高弹聚合物.液晶高弹聚合物材料简介,是指非交联型液晶聚合液晶高弹聚合物 物经适度交联,在各向同性态或者液晶态显示弹性的聚合物。液晶高弹聚合物结合了聚合物弹性体熵弹性及液晶自组织性两者的性质,因此具有很好的外场响应性、弹性及分子协
26、同作用。按照介晶基元的对称性和有序程度,液晶高弹聚合物可分为向列相、胆甾相 和近晶相三类【引。按照介晶基元在高分子链中的位置,又可将液晶高弹聚合物分了主链型、侧链型和混合型三类,如下图.所示。图.液晶高弹聚合物结构示意图,主链型,侧链型,混合型口川. , , ”】液晶高弹聚合物可以在外场温度、电场、光等的刺激下改变结构内部介晶基元的排列而产生形状的变化。例如,向列相液晶高弹聚合物薄膜在温度上升至相变转变向列相一各向同性相温度,时,薄膜会沿着介晶基元指向矢方向收缩;当温度降低使薄膜重新回到向列相时,液晶高弹聚合物双恢复到原始尺寸如图.所示【。此外,在外电场作用下,液晶高弹聚合物内的介晶基元会再取
27、向以致使其发生形状改变。引入光致变形分子偶氮苯等到液晶高弹聚合物中时,特定频率或波长的光照射也会导致其发生收缩或者弯曲变形【。液晶高弹聚合物在外界刺激下能可逆的改变自己形状的特性,使得它在微型驱动器、传感器以及人工肌肉等方面有着巨大的应用前景。浙江大学硕士学位论文图.液晶高弹聚合物的热致变形示意图【.】. .液晶高弹聚合物材料研究现状液晶高弹聚合物主要是将液晶聚合物经过适度交联而实现的。在液晶高弹聚合物的制备上,交联方法从使用一般化学手段,即使用聚合物链中的活性基团与双官能团或三官能团共聚,发展到使用射线引发聚合、紫外光引发聚合等。一般来讲,液晶高弹聚合物的制备要解决两个重要的问题:合成高分子
28、链及含介晶基元团的高聚物,将高分子链交联成无限大的网络结构。由于初始反应物不同,可将液晶高弹聚合物的制备方法归纳为上图.所示的四类【:图.为称为的“.”方法,聚硅氧烷高分子链、介晶基元以及交联合混合在一起,在钯的催化下经两步反应制备出;图.为液晶聚合物与交联体可与聚合物上功能团反应在一定条件下反应制备出;图.为含交联体的液晶聚合物在紫外光的照射下引发交联反应制备出;图.为液晶单体与交联体的混合物在一定条件下发生聚合反应直接形成。.三 . 八班焘班蠢.一甄;纛甄嫂。翼器四带碳第一章绪论多年以来,侧链型液晶高弹聚合物一直是主要可以合成并研究的液晶高弹聚合物,主链型在合成方面的报道一直比较少。经过科
29、研人员的努力,如今主链型液晶高弹聚合物的制备已经有了较大的突破与发展。等人先将烯丙基马来酸和二醇的溶液进行缩聚或将烯丙基马来酸和二醇的熔融物进行缩聚反应,在此基础上,以封端的硅氧烷齐聚物为交联体,通过硅氢加成反应可以得到主链型液晶高弹聚合物【】。 等人将,.四甲基二氢硅氧烷、,.四甲基环四氢硅氧烷及低分子双烯类介晶基元的混合物通过一步硅氢加成反应合。成主链型液晶高弹聚合物【 等人的这种合成方法能够比较方便的通过调整原材料的比例,在较宽范围内调节高弹聚合物的结构与相态,无需制备前体聚合物,还可以较好的控制相关结构参数,如聚合度和多分散性等。最近有关于室温下呈现向列型主链液晶高弹聚合物的报道,经实
30、验观测,发现其热弹性能指标优于侧链型液晶高弹聚合物。液晶高弹聚合物的研究近年来也逐渐转移到物理性能上来,包括热弹性、光弹性、压电性、机械力场下的取向性等。例如,年等人首次合成出了含偶氮苯分子的液晶高弹聚合物,此聚合物在紫外光照射下将沿指向矢方向收缩,应变高达%,但响应时间较长为分钟。?等人采用新的制备方法,将偶氮苯分子以溶解的方法引入液晶高弹聚合物中,发现液晶高弹聚合物悬臂梁在波长为的绿光照射下弯曲变形超过了。,且响应时间仅为,如下图.所示【】。除此之外,关于液晶高弹聚合物理论方面的研究也很多。例如,等对光致弯曲变形液晶高弹聚合物的非线理论分析及液晶高弹聚合物热.序.力耦合行为的热力学模型分析
31、,.等对热、光等刺激变形的液晶高弹聚合物有序度理论及变形理论分析等。图.偶氮苯液晶高弹聚合物绿光照射下的弯曲实验口刀. 【】在应用研究方面,现实生活中真正使用材料作为驱动器的例子还没有见报道。但是,以下两个例子可以很好的将这种具有特殊性能的材料贴近现实生活【。图.为等人利用光致变形的材料所做的一个马达,浙江大学硕士学位论文材料的指向矢量方向如图.所示,在马达的左端用可见光照射,从而左端的材料会伸长,在马达的右端用紫外光照射,则右端的材料会收缩,这样就带动了马达中轮子的转动,如图.所示。图.为条状材料在交替紫外光、可见光照射下行走现象。一伯一璞兹图囵 竺图.基于材料制作的马达廖夯一 【】.一草警
32、一 圈图碉泛习允一冬鼎达 翁选达图.条状材料的行走,实验图,驱动原理示意刚. 四训由于液晶高弹聚合物材料具有很多优异的性质,它的应用前景也是非常广泛的,例如,人工肌肉、人工智能、纳米机械等方面的应用。尽管现在液晶高弹聚合物材料还未在人类的生产生活中发挥出实际的用处,但是随着科学技术的进步以及人们对其进行更加深入和广泛的研究,上述应用前景终将成为现实。.本文的研究目的和内容如今,人们的研究对象越来越转向复杂系统的研究,软物质体系就是其中之一。软物质中的两种功能软物质材料一一介电高弹聚合物材料与液晶高弹聚合物第一章绪论材料,由于它们具有很多优异的特性,因而受到人们的广泛关注与研究。在应用研究方面,
33、利用介电高弹聚合物材料所做的驱动器,很多都是在预拉伸下采用电驱动的,而且驱动过程中形变量很大、驱动效果还受材料性质如粘弹性的影响。液晶高弹聚合物的研究,在材料制备、功能改善以及理论分析等方面已经有了很大的进步,为了让其能服务于人们的日常生活,液晶高弹聚合物器件方面的研究正越来越受到人们的关注。针对上述问题,本文采用实验和有限元模拟相结合的方式对研究较多的一种介电高弹聚合物材料作出了相关力学性质研究;除此之外,本文还提出了利用光致变形液晶高弹聚合物偶氮苯所作的一个光电转换传感器模型,并进行了相关光力耦合模型分析。丙烯酸介电高弹聚合物 力学性质研究以公司的胶带以及塑料板为原材料,制备了四种不同尺寸
34、的.型拉伸实验样品。采用德国/公司的.型电子万能试验机对.型样品在不同拉伸速率下进行测试。系统研究了材料的粘弹性现象及拉伸速率、样品尺寸对材料力学性质的影响。丙烯酸介电高弹聚合物断裂失效研究以公司的胶带以及塑料板为原材料,制备了八种不同尺寸的预纹型拉伸断裂实验样品。采用德国/公司的.型电子万能试验机对实验样品在不同拉伸速率下进行测试,并用 记录样品失效过程及利用有限元软件对材料进模拟分析。系统研究了材料的拉伸速率、样品尺寸及预裂纹长度对材料断裂失效行为的影响。液晶高弹聚合物一铁电驻极体复合结构设计利用偶氮苯液晶高弹聚合物在紫外光下的光致收缩性和铁电驻极体的压电性质,设计了一个圆柱形夹心复合结构
35、的光电转换器件模型,并对该器件模型进行了相关光电转换力学模型分析。浙江大学硕士学位论文第二章实验过程及研究方法第二章实验过程及研究方法.实验原料及设备.实验原料本研究所采用原料及其型号和相应生产厂家如表.所示。表.实验原料.实验设备本研究所采用的设备及其型号和相应生产厂家如表.所示。表.实验设备.浙江大学硕士学位论文.样品制备.型拉伸样品的制备以薄膜和塑料板为原料制备了.型拉伸实验样品。其制备过程包括了软件的制图、激光切割机切割叱薄膜、激光切割机切割塑料板、塑料板的砂纸抛光以及薄膜与塑料板的组装。其具体制作流程如图.所示。翰溺谶臻隧獬鞣黪黪鬻黛哆惹鬓鬯藿霾霆鎏鬻錾邈鋈鍪越?、/慝黪藤纛蔫隧筮鳖
36、置曩誓誓 睦篓羔皇鍪生薹矗立蕊薹盏型董羔幽&誊碰譬蓝盛譬芷董篮型盏叠誓越盏董盟辐热涮每密堪垦涵 函黧黧熏纛鬟蓊霪纛蘩熏筮篓鐾、育图. .型样品的制备流程图“ . .长方条塑料板的制备用软件作一矩形 ,将所作矩形的轮廓线设置成红色。将上述矩形输入到激光切割机控制软件中,并根据原材料板 设置好相应的矩形阵列,设置的尺寸第二章实验过程及研究方法中的为%,为%,为,其他选项默认。将原材料板放入激光切割机中切割。最后,将切割好的粗糙长方条板用砂纸抛光即可。.长方条薄膜的制备用软件作一矩形,将所作矩形的轮廓线设置成红色。将中的上述矩形输入到激光切割机控制软件中,设置为%,为%,为,其他选项默认。用纸板铡刀
37、铡下一段。薄膜并将其放入激光切割机中。根据所铡下的薄膜尺寸,在中设置好相应的矩形阵列。最后,打开投风机并盖上激光切割机的外盖,按开始切割按钮完成薄膜的切割。.长方条薄膜与长方条塑料板的组装取片制备好的长方条塑料板,将长方条薄膜夹住,如图.所示。其中薄膜上下两端被夹入长方条塑料板的长度均为。圈.型样品示意图. 由于所切割的薄膜尺寸不同,可将组装而成的.型样品分为以下四类,如表.所示。表. 型样品尺寸. 浙江大学硕士学位论文.预裂纹型断裂样品的制备以薄膜和塑料板为原料制备了预裂纹型断裂实验样品。其制备过程包括了软件的制图、激光切割机切割薄膜、普通手术剪刀处理薄膜引入预裂纹、激光切割机切割塑料板、塑
38、料板的砂纸抛光以及薄膜与塑料板的组装。其具体制作流程如图.所示。图.预裂纹型断裂样品的制备流程图.长方条塑料板的制备,将所作矩形的轮廓线设置用软件作一矩形成红色。将上述矩形输入到激光切割机控制软件中,并根据原材料板的尺寸 设置好相应的矩形阵列,设置中的为%,为%,为,其他选项默认。将原材料第二章实验过程及研究方法板放入激光切割机中切割。最后,将切割好的粗糙长方条板用砂纸抛光即可。.。长方条薄膜的制备用软件作大小两矩形,大矩形尺寸为,小矩形的尺寸为,将小矩形中心定位于大矩形短边的中点处,并将两矩形的轮廓线设置成红色。将上述组合矩形输入到激光切割机控制软件中,设置中的为%,为%,为,其他选项默认。
39、用纸板铡刀铡下一段薄膜并将其放入激光切割机中。根据所铡下的薄膜尺寸,在中设置好相应的矩形阵列。最后,打开抽风机并盖上激光切割机的外盖,按开始切割按钮完成薄膜的切割。.普通手术剪刀处理用普通手术剪刀沿着激光切割机所切出的长方条薄膜的小矩形剪至一定的位置,使得整个薄膜上出现一个型断裂预裂纹。其中预裂纹总长度分别为或者。.预裂纹长方条薄膜与长方条塑料板的组装取片制备好的长方条塑料板,将预裂纹长方条薄膜夹住,如图.所示。其中薄膜上下两端被夹入长方条塑料板的长度均为。图.预裂纹型断裂样品示意图 丘.由于所切割的薄膜尺寸及预裂纹长度不同,可将组装而成的预裂纹型断裂样品分为以下八类,如表.所示。浙江大学硕士
40、学位论文表.预裂纹型断裂样品参数. 纳】.样品测试及分析.电子万能试验机测试采用德国/公司的.型电子万能试验机,设置好薄膜厚度、长度及测试结束条件,测试.型样品在/、/及/三种不同拉伸速率下的粘弹性力学形为并记录相关的力、位移数据,/及/四种不同预裂纹型断裂在/、/、拉伸速率下断裂扩展的力学形为并记录相关的力、位移及测试时间数据。.单反相机记录分析采用日本公司的单反相机拍设.型样品拉伸前后及静置小时后的形状变化情况;录制预裂纹型断裂样品在/、/、/及/四种不同拉伸速率下的裂纹扩展视频,并用软件量出每个视频中裂纹尖端的位置随时间的变化情况以进行裂纹速率的相关分析。.有限元软件模拟分析采用商业有限
41、元软件建立了不同尺寸及预裂纹长度的预裂纹型断裂样品的薄膜有限元模型,用单元划分整个模型,且在裂纹尖端附近半径第二章实验过程及研究方法为的范围内用放射形的网格划分。利用准静态的位移加载为控制条件进行预裂纹型断裂样品的力学模拟分析,其中,位移加载量为各类样品在最低拉伸速率的次实验测试中裂纹刚开始断裂的平均值。浙江大学硕士学位论文第三章丙烯酸介电高弹聚合物力学性质研究第三章丙烯酸介电高弹聚合物力学性质研究.弓言电活性高聚物是一类功能软物质材料,在外界电刺激下可改变自身的形状,外界电刺激撤消后又能恢复原样。材料可以将电能直接转化成机械功,并且产生较大的应变约为%.%,可被用来制作自适应结构的驱动。器,
42、尤其是能产生大变形的驱动器【介电高弹聚合物是制造智能驱动器最有潜力的材料之一,它不仅有着材料的一般特性,而且还具有介电常数高、弹性好、机电转换效率高、反应时间短、密度低等优点,因而它在制作驱动器方面的应用也更为广泛,如微型机器人、微型泵、微型阀、磁盘驱动器以及音频驱动器等。然而,材料的基本物理及化学性质是制作介电高弹聚合物驱动器所必须考虑的因素,比如弹性模量、介电常数等决定了所作驱动器的静态性能,粘弹性则影响着驱动器的动态行为。 系列薄膜材料目前是研究较为广泛的一类丙烯酸介电高弹聚合物材料,本章以其中一种 为原材料,制备了四种不同尺寸的.型拉伸实验样品,并对此实验样品进行了不同拉伸速率下的力学
43、测试。系统研究了材料的粘弹性现象及拉伸速率、样品尺寸对材料力学性质的影响。.实验部分.样品制备为了研究丙烯酸介电高弹聚合物的粘弹性力学行为,本实验以公司的胶带以及塑料板为原材料,制备了.型拉伸实验样品。其制备过程包括了软件的制图、激光切割机切割薄膜、激光切割机切割塑料板、塑料板的砂纸抛光以及薄膜与塑料板的组装。组装好后的实验样品有效测试尺寸分别为、以及 ,具体见第二章图.及表.所示。.长方条塑料板的制备用软件作一矩形 ,将所作矩形的轮廓线设置成红色。将上述矩形输入到激光切割机控制软件中,并根据原材料板 的尺寸 /设置好相应的矩形阵列,设置中的为%,为%,为,其他选项默认。将原材料板放入激光切割
44、机中切割。最后,将切割好的粗糙长方条塑料板用砂纸抛浙江大学硕士学位论文光即可。砂纸及抛光前后的长方条塑料板如下图。所示。图.砂纸及抛光前后长方条塑料板实物图.长方条薄膜的制备用软件作一矩形,将所作矩形的轮廓线设置成红色。将中的上述矩形输入到激光切割机控制软件中,设置为%,为%,为,其他选项默认。用纸板铡铡下一段薄膜并将其放入激光切割机中。根据所铡下的薄膜尺寸,在中设置好相应的矩形阵列。最后,打开投风机并盖上激光切割机的外盖,按开始切割按钮完成薄膜的切割。切割完后,长方条薄膜如下图.所示。图. 长方条薄膜实物图. .长方条薄膜长方条塑料板的组装取片制备好的板,将长方条薄膜夹住,如图.所示。第三章丙烯酸介电高弹聚合物力学性质研究其中薄膜上下两端被夹入长方条塑料板的长度均为。图. 型样品实物图.“.丙烯酸介电高弹聚合物力学性质测试采用德国/公司的.型电子万能试验机对.型样品进行拉伸测试。对于每类样品分别在/、/及/三种不同拉伸速率下进行拉伸测试,并且每类样品在各个速率下均取个样品测试。测试时设置控制软件中的薄膜厚度为.、长度为以及四类.型拉伸样品的最终伸长量分别为、和作为测
