智能软结构的力-热-电耦合相变机理研究

Soft active structure is a new kind of functional structure which can covert energy from various sources. Attributes include low density, large deformation, and high energy density. It has been widely used in the field of soft machine, bionic technology, and energy harvesting. In the process of energy conversion, soft active structures may undergo multiple co-existent states, which can greatly influence the conversion efficiency. This program aims to study the behavior of electro-thermo-mechanical coupling phase co-existence theoretically and experimentally. First, within the framework of thermodynamics we will develop the basic electro-thermo-mechanical coupling theory, establish the criteria of phase transition for different configurations and analyze the influence of phase co-existence on energy conversion. Second, we will perform multi-field loading experiments to verify the theory, taking dielectric elastomers as example. Last, we will reveal the mechanism of electro-thermo-mechanical coupling phase transition and propose an effective way to control co-existence to improve the energy density of soft active machine.

智能软结构是一类新型的实现能量相互转化的功能性结构，具有密度小，变形大，能量密度高等优点，在柔性机械、仿生科技、能源收集等领域具有广泛应用前景。在能量转化的过程中，智能软结构会发生多状态共存的现象，这对能量转化效率影响巨大。本项目拟从理论、实验两方面，研究智能软结构的力-热-电耦合多相共存的行为。首先，在热力学框架内，发展智能软结构的力-热-电相变大变形理论，建立不同构型下的结构相变准则，分析相变对能量转化行为的影响；其次，以介电高弹聚合物为例开展多场加载实验，验证理论预测的相变行为。最后，结合理论与实验研究，揭示智能软结构的力-热-电相变机理，提出相变管控方法，寻求利用相变提高能量转化密度的有效途径。

介电高弹聚合物是一类实现机械能-电能相互转化的智能柔性材料，具有密度小、变形大、能量密度高等优点。该基金项目围绕介电高弹聚合物在力电耦合作用下的变形行为、失稳特性以及基于介电高弹聚合物设计的柔性智能器件开展了一系列的研究工作。重要的科学发现包括：.1. 开展了介电高弹聚合物管状结构的力电相变实验，实现了电致2200%的电致面积变形，这一变形量成为介电高弹聚合物材料新的电致变形纪录。.2. 开展了介电高弹聚合物的漏电行为研究，发现在力型边界条件下测得的等效电阻率比位移型边界条件下的等效电阻率低一个数量级。.3. 理论结合实验研究了介电高弹聚合物管的力电耦合分叉，首次系统的定量描述了橡胶类软材料在力电耦合作用下发生大变形时的分叉与后分叉行为。.4. 采用纤维约束的介电弹性体设计了仿生肱二头肌驱动器，在电压激励下可实现前臂相对于固定的上臂实现70度的旋转。.5. 理论研究了考虑变形强化效应的介电弹性体的非线性振动，给出了该材料特有的双稳态振动行为，及外界激励下的非线性振动和混沌现象。.6. 理论上首次提出了力电灾变理论，以介电高弹聚合物为载体实验证实了理论所预测的临界灾变条件。.7. 设计了用于低频噪声的带隙可调介电弹性体滤波器，通过调节电压可以实现大的带隙位移（大于60Hz）。.8. 理论研究了介电弹性体管在恒定气体分子数条件下的力电相变，发现所需的电压随着相变过程的进行逐渐升高，解释了实验观测的现象。.9. 理论解释了介电弹性体球状结构的非常规鼓包行为，并预测了加载路径对非常规变形行为的影响，开展实验验证与理论预测十分吻合。.以上研究成果以第一作者及通讯作者发表论文10篇，其中SCI论文9篇，包括固体力学旗舰期刊JPMS杂志2篇，以上发表文章该基金均为第一标注。