Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике  
ElectricalSchool.info - большой образовательный проект на тему электричества и его использования. С помощью нашего сайта вы не только поймете, но и полюбите электротехнику, электронику и автоматику!
Электрические и магнитные явления в природе, науке и технике. Современная электроэнергетика, устройство электрических приборов, аппаратов и установок, промышленное электрооборудование и системы электроснабжения, электрический привод, альтернативные источники энергии и многое другое.
 
Школа для электрика | Правила электробезопасности | Электротехника | Электроника | Электрические аппараты | Электрические машины
Автоматизация | Робототехника | Возобновляемая энергетика | Тренды, актуальные вопросы | Научно-популярные статьи | Контакты



 

База знаний | Избранные статьи | Эксплуатация электрооборудования | Электроснабжение
Электрические аппараты | Электрические машины | Электропривод | Электрическое освещение

 Школа для электрика / Робототехника для начинающих / Тренды, актуальные вопросы / Электроактивные полимеры и перспективы их использования


 Школа для электрика в Telegram

Электроактивные полимеры и перспективы их использования


Электроактивные полимеры (ЭАП, EAP) при стимуляции электрическим полем демонстрируют изменение своих размеров и формы. Они преобразуют электрическую энергию в механическую.

Сегодня известны электроактивные полимерные материалы нескольких классов: электронные, ионные, на основе углеродных нанотрубок и даже на базе проводящих полимеров. Работы по улучшению электромагнитных свойств таких материалов ведутся непрерывно.

В итоге, некоторые электроактивные полимеры уже сегодня демонстрируют лучшие электромагнитные характеристики, нежели даже кристаллы и керамика. На их основе создаются приводы, датчики и преобразователи. Сегодня некоторые электроактивные полимеры используются в робототехнике в качестве линейных приводов.

Будущее робототехники

Искусственные мышцы

Электроактивные полимеры могут найти самое широкое и жизнеспособное применение, включая искусственные мышцы, тактильные дисплеи, микрожидкостные устройства и огромное количество других приложений, учитывая, что они относительно недороги и имеют короткие сроки изготовления.

В искусственных мышцах используются различные искусственные материалы и внешние раздражители (обычно напряжение, ток, давление, температура и т. д.), чтобы заставить материал достигать эффектов сжатия, удлинения, вращения и т. д. Эти три эффекта движения можно комбинировать друг с другом для имитации мышц человеческого тела.

Электрические искусственные мышцы в основном возбуждают специальный полимер, чтобы он при пропускании электрического тока сокращался, изгибался и деформировался.

Сегнетоэлектрические полимеры

Электроактивные полимеры подразделяются на сегнетоэлектрические, диэлектрические и вязкоупругие эластомеры.

Наиболее распространенный сегнетоэлектрический полимер — пливинилденфторид или ПВДФ. Обычно он используется в виде листа с металлическими электродами, повышающими жесткость и уменьшающими пьезоэлектрический отклик.

Сегнетоэлектрики хороши тем, что допускает эксплуатацию в вакууме, на открытом воздухе и даже в воде, причем в широком температурном диапазоне.

Электроактивные полимеры

Диэлектрические электроактивные полимеры работают благодаря электростатическим силам. Они, обычно, представляют собой пленку, установленную между двумя электродами.

Суть в том, что когда диэлектрик подвергается действию электрического поля, на его поверхности появляются положительные и отрицательные электрические заряды, между которыми начинает действовать кулоновская сила.

Кулоновская сила создает напряжение, что и приводит к деформации пленки.

Итак, когда на электроды подается напряжение, электрическое поле между электродами изменяется, форма эластомера также изменяется. Таким образом, электроактивные диэлектрические полимеры могут быть использованы в качестве исполнительных механизмов.

Вязкоупругие эластомеры

Наиболее популярным электроактивным полимером сегодня является вязкоупругий эластомер. Он состоит из силиконового эластомера и электродов. Когда между электродами начинает действовать электрическое поле, изменяется модуль сдвига.

Такие электроактивные полимеры могут работать в течение длительного промежутка времени и иметь быстрый отклик. Они выдерживают высокие напряжения, учитывая, что для работы им требуется напряженность электрического поля порядка 150МВ/м. Ограничение накладывается низкой температурой стеклования.

Принцип работы вязкоупругого эластомера

Ионные электроактивные полимеры и композиты полимер-металл включают в себя ионный полимер в форме геля и металлические электроды. Именно эти устройства исследуются на предмет возможного их использования в качестве искусственных мышц.

Когда между электродами начинает действовать напряжение, катионы приходят в движение, в результате чего в ионном гелевом полимере создается градиент давления.

Эти материалы мягки, благодаря чему им можно придать любую форму, также они могут быть использованы в водной среде. Для работы им нужно не такое уж высокое напряжение (порядка единиц вольт).

Электроактивный полимерный гель

Сегодня еще нет работающих мышц на основе электроактивного полимерного геля, однако последние исследования говорят о том, что это уже недалеко от реальности. Некоторые исследователи применяли неорганические волокна для усиления геля.

Модуль сдвига, благодаря волокнам, увеличивается. Ограничение накладывает медленный отклик в сравнении с другими электроактивными полимерами, а также то, что однородный материал такого рода получить непросто. Тем не менее, потенциал этих композитов еще не полностью раскрыт.

Проводящие полимеры

Одним из наиболее распространенных типов электроактивных полимеров из найденных сегодня, является проводящий полимер. Полимер такого рода принадлежит к соединениям, состоящим из мономерных звеньев с химическими связями, проводимость которых обеспечивается легированием.

В ходе выращивания полимера в присутствии анионов, изменение объема становится результатом градиента напряжения, создаваемого границей раздела во время протекания процессов окисления и восстановления.

Основные типы проводящих полимеров, применяемых для создания приводов:

  • полипиррол,
  • полианилин,
  • поли (3, 4-этилендиокситиофен),
  • углеродные нанотрубки.

Далее рассмотрим три достаточно хорошо изученных проводящих полимера.

Полипиррол

Полипиррол — наиболее изученный проводящий полимер, пригодный для применения в качестве привода. Главная причина — возможность нанесения гальванического покрытия поверх металлических электродов.

При напряжении от 1 до 3 вольт, при скорости деформации от 2 до 30% и возможностях механических напряжений до 30 МПа, он идеально подходит для использования в приводах. Кроме того, примечательна малая мощность, необходимая для поддержания значительного постоянного усилия.

Полианилин

Второй по изученности — полианилин. Он интересен тем, что получается путем окислительной полимеризации в водных растворах кислот. Пленки и волокна поэтому легко изготавливать. Но из-за кислой природы его избегают. Наиболее стабильным для работы является уровень pH = 4.

Исследуется возможность использовать полианилин в микротрубках в качестве строительных блоков для полимерных приводов.

Поли (3, 4-этилендиокситиофен)

Наиболее важным считается поли (3,4 — этилендиокситиофен). Он прозрачен, стабилен, обладает высокой емкостью и проводимостью. Но ударная вязкость у него ниже, чем у двух предыдущих.

Высокая стабильность в электрохимических реакциях делает поли-3,4 — этилендиокситиофен одним из наиболее часто используемых полимеров в области приводов.