《介電彈性體動態換能機理及能量收集系統設計方法研究》是依託西安交通大學，由王永泉擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：介電彈性體動態換能機理及能量收集系統設計方法研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：王永泉
- 依託單位：西安交通大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
介電彈性體(Dielectric elastomers，DE)是一種新型電活性功能材料，具有柔性好、變形大、能量密度高等多種優點，並能以高達80%~90%的效率，將機械應變能轉換為電能，因而在面向人體及自然界的能量收集領域具有廣闊的套用前景。然而，現有的研究由於對DE能量收集的工作特點及體現其動態特性的關鍵因素認識不夠，以致不能準確揭示此循環換能體系在多因素綜合作用下的複雜行為機制並有效指導實際設計，在很大程度上制約了材料性能優勢的發揮。本項目擬以DE材料在動態條件下的粘滯耗能特性及其非線性力電耦合行為為基礎，通過逐層構建機-電-熱多域耦合系統循環換能的理論模型，深入研究大變形柔性DE結構與電路及外部環境間互動、協同的作用機制，旨在闡明其中能量傳遞、轉換與損耗的特性與規律，形成高性能DE能量收集系統一體化設計、最佳化及控制的策略與方法，為實際系統/裝置的分析設計提供必要而可靠的理論依據。
結題摘要
項目緊扣研究目標，從介電彈性體在循環拉伸—收縮過程中的動態粘彈性耗能特性出發，開展了材料在能量收集過程中大變形、非線性力電耦合及換能行為的基礎研究和高性能能量收集系統的設計研究。重點內容和主要進展有：（1）分別基於廣義Kelvin-Voigt 流變模型和準線性粘彈性模型，構建了兩種不同形式的介電彈性體非線性大變形粘—超彈性本構模型，定量揭示了材料在拉伸率和拉伸速率共同影響下的遲滯耗能行為機理；（2）建立了描述介電彈性體粘性能量耗散特性並適用於工程計算的線形阻尼模型，開展了能量收集策略及方案的對比研究，探討了不同邊界條件和載入方式下的DEG的能量回收能力；（3）開展了新型DEG結構和能量收集電路的協同設計研究，提出了一種形式簡單，可擺脫對外部偏置電源的周期性依賴，直接為負載供電的“自循環”電路模型。進一步基於軟體結構“對抗式”設計思想和混合電極材料電阻隨變形而變化的特性，提出了一種集成軟體DEG和調理電路的“全軟體”系統原型；（4）對提出的電路和結構進行了基礎實驗，驗證了其可行性；並基於自循環電路和環形DEG開展了多因素正交試驗，探究了偏置電壓、拉伸位移、頻率、預拉伸比、負載電阻等參數對能量收集性能產生的影響；結合仿真實驗，開展了系統的協同設計和全局最佳化研究。 項目研究較好地達成了預期目標，取得了並有望繼續取得具有創新性和工程套用價值的研究成果，可為實際DE能量收集系統的分析設計，提供有益的科學基礎和方法借鑑。
