Qu’est-ce qu’un élastomère diélectrique ?
Les élastomères diélectriques sont des élastomères qui changent de forme lorsque le matériau est soumis à un champ électrique élevé, ce qui provoque une déformation importante.
L’élastomère est un mot inventé qui combine les mots “élastique” et “polymère”. Il désigne un matériau polymère élastique, dont le caoutchouc est un exemple typique.
Les élastomères diélectriques sont des élastomères qui convertissent l’énergie électrique en énergie cinétique mécanique. En général, la constante diélectrique doit être élevée et le matériau doit être relativement souple. Des travaux de recherche et de développement sont en cours pour exploiter ces caractéristiques dans la pratique.
Utilisations des élastomères diélectriques
Les élastomères diélectriques sont en phase de recherche et de développement. Parmi les exemples d’applications futures, on peut citer divers actionneurs tels que les muscles artificiels.
La plupart des actionneurs actuellement utilisés dans la pratique sont principalement des servomoteurs ou des types hydrauliques dont l’efficacité de conversion est limitée. Afin de parvenir à une société décarbonée qui tienne compte des questions environnementales, l’industrie est de plus en plus demandeuse d’actionneurs qui appliquent de nouvelles technologies d’économie d’énergie.
Les élastomères diélectriques ont une efficacité de conversion énergétique élevée et devraient donc être appliqués à des actionneurs compacts et pouvant fonctionner de manière économe en énergie. Contrairement aux éléments piézoélectriques, la récolte d’énergie attire l’attention puisqu’elle permet de convertir en énergie électrique des changements de forme même minimes, et a des fonctions de détection basées sur des changements de capacité linéaires associés à des changements de forme du matériau.
Principe des élastomères diélectriques
Des électrodes capables de se dilater et de se contracter sont appliquées en haut et en bas d’un matériau élastomère ayant une constante diélectrique relativement élevée, et une haute tension est appliquée. La structure diélectrique prise en sandwich entre les deux électrodes supérieure et inférieure est un condensateur, et les forces de Coulomb exercent une pression d’expansion et de contraction sur l’élastomère. Le carré de la tension multiplié par la constante diélectrique relative et divisé par le carré de la distance entre les électrodes est la pression appliquée à l’élastomère.
Structure des élastomères diélectriques
La pression appliquée aux élastomères diélectriques est relativement élevée. Des matériaux souples et extensibles sont nécessaires pour que les élastomères puissent résister à de grandes déformations, et les matériaux acryliques et silicones sont souvent utilisés.
La force de Coulomb du condensateur étant utilisée comme source d’énergie cinétique, l’électrode doit être en contact permanent avec l’élastomère, indépendamment des changements de forme de l’élastomère (expansion et contraction). Les matériaux d’électrode possibles sont donc les métaux, les poudres de graphite ou les mélanges de graphite et d’huile de silicone.
L’entraînement par champ électrique avec des élastomères diélectriques n’entraîne qu’un faible flux de courant et presque aucune perte de chaleur. Le champ électrique entraîné est élevé et l’efficacité de la conversion d’énergie est élevée. Des matériaux élastomères à haute résistance à la rupture diélectrique sont nécessaires et font l’objet d’une recherche et d’un développement actifs.
Types d’élastomères diélectriques
Les actionneurs à élastomères diélectriques sont constitués d’un film d’élastomère pris en sandwich entre deux électrodes. Lorsqu’une haute tension est appliquée aux électrodes, l’attraction électrostatique entre les électrodes provoque la contraction du film d’élastomère dans le sens de l’épaisseur et son expansion dans le sens du plan. La déformation peut être contrôlée électriquement et peut être appliquée à des dispositifs et à des robots.
1. Actionneur frontal
Actionneur avec deux électrodes recouvertes d’élastomères diélectriques.
2. Actionneur cylindrique
Il s’agit d’un actionneur recouvert d’un film d’élastomère et enroulé autour d’un cylindre, utilisé dans les vannes et les microrobots. Lorsqu’une tension est appliquée, une force axiale est générée et déployée. Ils peuvent être enroulés autour de ressorts de compression et sont disponibles sans noyau.
3. Actionneur à membrane
La membrane du diaphragme agit comme un actionneur. Elle est plate et applique une force dans la direction de l’axe z.
4. Actionneur à coquille
Un actionneur avec plusieurs électrodes montées à des positions spécifiques sur un film d’élastomère, qui peut propulser le véhicule dans l’eau ou dans l’air. Lorsqu’une tension est appliquée, le film d’élastomère forme une structure tridimensionnelle complexe.
5. Actionneur stratifié
Actionneur de surface stratifié avec des forces et des déformations élevées.
6. Actionneur d’épaisseur
Il s’agit d’un actionneur avec déplacement ou force dans la direction de l’axe z. Les films plats sont laminés pour augmenter le déplacement dans la direction de l’axe z.