TiO2/硅橡胶复合型介电弹性体的电致粘弹性

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介电弹性体可以在电场作用下产生可控的形状或体积变化,在机器人和能源领域有着广阔的应用前景。介电弹性体在电致变形过程中的力电耦合问题一直是该领域的研究前沿和热点。然而现有力电模型研究中多将介电弹性体简化为理想的弹性体,对力电耦合作用下粘弹性的变化关注较少,更甚少深入研究外加电场对介电弹性体动态粘弹性的作用。本文以无定型TiO2颗粒为分散相颗粒,室温硫化硅橡胶为聚合物基体,制备不同结构的复合型介电弹性体,研究外加电场对其变形及粘弹性的影响规律,为介电弹性体力电模型的修正奠定基础。本论文主要研究内容如下:(1)通过旋转流变仪分别对颗粒质量分数为10%、20%和30%的TiO2/硅橡胶介电弹性体进行动态粘弹性测试。结果表明,在电场作用下,介电弹性体的粘弹性会发生变化。此外,随着颗粒含量的升高,介电弹性体的电场敏感性更高。在5 kV/mm的外加电场条件下,颗粒含量为30%的介电弹性体储能模量较零场下增大了18.1%。(2)通过流变测试分别对填充随机分布TiO2颗粒和取向分布TiO2颗粒的介电弹性体的动态粘弹性进行测试。结果表明,在外加电场条件下,分散相颗粒的分布方式会显著影响介电弹性体的粘弹性能,填充取向分布TiO2颗粒的介电弹性体电场敏感性更高。在5 kV/mm的外加电场条件下,填充取向分布TiO2颗粒的介电弹性体储能模量较零场下增大了82.9%。(3)对TiO2/硅橡胶复合介电弹性体产生电致粘弹性的机理进行分析。在外加电场作用下,TiO2颗粒的静电极化使相邻颗粒间产生静电吸引力的作用,从而阻碍基体分子链运动,因此改变其粘弹性能。随着颗粒含量的增大,颗粒在基体中的密度增大,相邻颗粒间静电吸引力更强。当在外加电场下固化时,沿电场方向形成链状的结构,链内相邻颗粒间距减小,沿电场方向静电吸引力更强。因此,随着颗粒含量的提高,或者颗粒在基体中有序排布结构的形成,相邻颗粒间距都会减小,颗粒间电致吸引作用增强,分散相颗粒对介电弹性体基体分子链段运动影响也随之增强,电致粘弹性因此更加明显。
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