环境湿度对介电弹性体材料力电变形及稳定性的影响研究

Dielectric elastomers (DEs) are a new kind of electroactive materials, which can be widely applied as soft smart actuators with the good flexibility, large deformation, fast response, and high electromechanical conversion efficiency. According to different functions, various soft DE actuators would be exposed into different working environment. Hence, it is very important to pay attention to investigate the effect of environmental factors on the electromechanical properties of DEs. However, the effect of environmental humidity on electromechanical actuation and stability of DEs has not yet been carried out, especially the lack of a humidity-coupled DE constitutive model. Therefore, this project proposes to explore the effect of environmental humidity, including effects of environmental humidity on the mechanical and electrical properties of DEs, the voltage-induced actuation of DEs under DC and AC voltages, and the related electromechanical breakdown behaviors. This project aims to reveal the mechanism of the effect of environmental humidity, and establish a more thorough thermal-humid-electrical-mechanical constitutive model, laying the foundation for DE in the application of various environmental humidities. In all, there would be an important academic and practical significance of this project in advancing the long-range development of the field of soft actuators and soft robots.

介电弹性体材料（简称DE）是一种新型电活性功能材料，具有柔韧性好、变形大、响应速度快、力电转化效率高等优点，可广泛应用于各种软体智能结构中。根据功能的不同，软体结构将暴露于不同的工作环境中，因此，研究环境因素对DE材料的力电性能的影响将具有重要意义。然而，国内外关于环境湿度对DE材料力电变形及稳定性的影响尚未深入开展，尤其是缺乏一套耦合湿度在内的更为完善的DE力电耦合本构模型。基于此，本项目提出研究环境湿度对DE材料力电变形及稳定性的影响，分别研究环境湿度对DE材料力学和电学性能参数的影响规律，研究环境湿度对DE材料在直流和交流电压下电致变形的影响，最后研究不同环境湿度对DE材料的击穿破坏行为的影响，阐明环境湿度的影响规律和机理，建立耦合湿度因素的热-湿-力-电四元本构模型，提出DE材料在不同湿度环境下的使用准则。本项目对推动软机器人和软物质学科的长足发展具有重要的学术意义和实用价值。

本项目旨在研究环境湿度对DE材料的介电常数、剪切模量及松弛时间常数等力学和电学参数的影响，分析其影响规律和机理，在此基础上建立湿度相关的理论模型；分别研究环境湿度对DE材料静态和动态电致变形的影响规律，阐明湿度引起变形改变的影响机理，以此为基础建立一套更为完善的力电耦合模型，进而提出DE材料在不同湿度环境下的应用准则；研究不同环境湿度下DE材料的电击穿行为，分析湿度影响电击穿的破坏机理和破坏规律，并建立基于湿度因素的电击穿破坏模型和准则，为DE材料的力电稳定性提供依据。与此同时，根据项目的进度和完成情况进行了适度的拓展与延伸，将电极材料在不同湿度环境中对DE材料力电偶尔性能的影响引入当中，并取得了初步研究成果。此外，本项目还在已有成果的基础上，开展了部分探索性应用研究。