介电弹性材料在力电耦合变形下的击穿破坏行为研究

Dielectric elastomer is capable of large deformation under voltage excitation, featuring flexibility, fast response as potential application in smart actuations. However, Dielectric elastomer is susceptible to breakdown failure, while little knowledge is available to describe the failure in electromechanical coupling. Therefore, this project targets on the modelling of the electromechanical breakdown failure in dielectric elastomer, based on classic theory of fracture mechanics, thermodynamics and polymer physics. A systematic theory will be presented, on characterizing the mechanism and process of the electromechanical breakdown. The non-linearity in material, geometry, and morphology is involved, to develop the theory, and to determine the critical value in failure. Conclusion are provided to harness the breakdown failure during the actuation, as a path for optimization of dielectric elastomer in electromechanical transducer and actuator.

介电弹性材料(Dielectric Elastomer，简称 DE)是一种新型功能材料，具有柔韧性好，变形大等特点，可应用于智能驱动器结构中。然而，由于 DE材料在工作中共同受到力电耦合的驱动，极易发生电击穿破坏行为，严重制约了其在工程领域的应用，而目前国内外对 DE 材料击穿破坏机理及过程的研究刚起步，其物理机制和过程尚未阐明，也缺乏系统化的理论体系。基于此，本项目将基于热力学、断裂力学和电介质物理等学科基础，结合 DE 材料力电耦合下的非线性物理属性，建立一套表征DE材料击穿破坏行为的模型理论。该模型能够阐明力电耦合变 形下产生击穿破坏的物理机制，表征破坏传递过程，综合研究 DE 材料在复杂载荷和形貌特性等因素下产生击穿破坏的机理和行为，计算评估击穿的临界条件和材料本征场强，预测可靠性，根据分析结果给出避免DE 材料发生击穿破坏的措施，为 DE功能材料在智能结构中的应用奠定理论。

介电弹性材料(Dielectric Elastomer，简称 DE)是一种新型功能材料，具有柔韧性好，变形大等特点，可应用于智能驱动器结构中。然而，由于 DE材料在工作中共同受到力电耦合的驱动，极易发生电击穿破坏行为，严重制约了其在工程领域的应用，而目前国内外对 DE 材料击穿破坏机理及过程的研究刚起步，其物理机制和过程尚未阐明，也缺乏系统化的理论体系。基于此，本项目基于热力学、断裂力学和电介质物理等学科基础，结合 DE 材料力电耦合下的非线性物理属性，建立一套表征DE材料击穿破坏行为的模型理论。在对DE材料击穿行为进行了系统的实验研究基础上，对DE材料击穿行为影响因素和规律进行总结；从能量转换和释放的角度出发，结合传统的力学断裂能量准则和DE材料力电耦合特性，从能量角度建立了DE材料的击穿物理模型，阐明了DE材料在力电耦合变形下产生击穿破坏的物理机制。在此基础上，将力学载荷、环境温度和湿度对DE材料力电参数的非线性影响规律引入模型，可以准确预测不同条件下DE材料的击穿临界电场。针对工程应用中的结构特征，上述模型引入了非线性边界条件，并对其中DE驱动器的击穿电压进行预测，其结果与实验吻合良好。因此，该理论模型能综合研究 DE 材料在复杂载荷和形貌特性等因素下产生击穿破坏的机理和行为，计算评估击穿的临界条件和材料本征场强，预测可靠性，根据分析结果给出避免DE 材料发生击穿破坏的措施，为 DE功能材料在智能结构中的应用奠定理论。