智慧型軟結構的力-熱-電耦合相變機理研究

《智慧型軟結構的力-熱-電耦合相變機理研究》是依託西安交通大學，由盧同慶擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：智慧型軟結構的力-熱-電耦合相變機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：盧同慶
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

智慧型軟結構是一類新型的實現能量相互轉化的功能性結構，具有密度小，變形大，能量密度高等優點，在柔性機械、仿生科技、能源收集等領域具有廣泛套用前景。在能量轉化的過程中，智慧型軟結構會發生多狀態共存的現象，這對能量轉化效率影響巨大。本項目擬從理論、實驗兩方面，研究智慧型軟結構的力-熱-電耦合多相共存的行為。首先，在熱力學框架內，發展智慧型軟結構的力-熱-電相變大變形理論，建立不同構型下的結構相變準則，分析相變對能量轉化行為的影響；其次，以介電高彈聚合物為例開展多場載入實驗，驗證理論預測的相變行為。最後，結合理論與實驗研究，揭示智慧型軟結構的力-熱-電相變機理，提出相變管控方法，尋求利用相變提高能量轉化密度的有效途徑。

結題摘要

介電高彈聚合物是一類實現機械能-電能相互轉化的智慧型柔性材料，具有密度小、變形大、能量密度高等優點。該基金項目圍繞介電高彈聚合物在力電耦合作用下的變形行為、失穩特性以及基於介電高彈聚合物設計的柔性智慧型器件開展了一系列的研究工作。重要的科學發現包括： 1. 開展了介電高彈聚合物管狀結構的力電相變實驗，實現了電致2200%的電致面積變形，這一變形量成為介電高彈聚合物材料新的電致變形紀錄。 2. 開展了介電高彈聚合物的漏電行為研究，發現在力型邊界條件下測得的等效電阻率比位移型邊界條件下的等效電阻率低一個數量級。 3. 理論結合實驗研究了介電高彈聚合物管的力電耦合分叉，首次系統的定量描述了橡膠類軟材料在力電耦合作用下發生大變形時的分叉與後分叉行為。 4. 採用纖維約束的介電彈性體設計了仿生肱二頭肌驅動器，在電壓激勵下可實現前臂相對於固定的上臂實現70度的旋轉。 5. 理論研究了考慮變形強化效應的介電彈性體的非線性振動，給出了該材料特有的雙穩態振動行為，及外界激勵下的非線性振動和混沌現象。 6. 理論上首次提出了力電災變理論，以介電高彈聚合物為載體實驗證實了理論所預測的臨界災變條件。 7. 設計了用於低頻噪聲的帶隙可調介電彈性體濾波器，通過調節電壓可以實現大的帶隙位移（大於60Hz）。 8. 理論研究了介電彈性體管在恆定氣體分子數條件下的力電相變，發現所需的電壓隨著相變過程的進行逐漸升高，解釋了實驗觀測的現象。 9. 理論解釋了介電彈性體球狀結構的非常規鼓包行為，並預測了載入路徑對非常規變形行為的影響，開展實驗驗證與理論預測十分吻合。 以上研究成果以第一作者及通訊作者發表論文10篇，其中SCI論文9篇，包括固體力學旗艦期刊JPMS雜誌2篇，以上發表文章該基金均為第一標註。