Was ist ein dielektrisches Elastomer?
Dielektrische Elastomere sind Elastomere, die ihre Form verändern, wenn das Material einem starken elektrischen Feld ausgesetzt wird, was zu einer erheblichen Dehnung führt.
Elastomer ist eine Wortschöpfung aus den Begriffen „elastisch“ und „Polymer“. Es bezeichnet ein elastisches polymeres Material, für das Gummi ein typisches Beispiel ist.
Dielektrische Elastomere sind Elastomere, die elektrische Energie in mechanische Bewegungsenergie umwandeln. Im Allgemeinen muss die Dielektrizitätskonstante hoch und das Material relativ weich sein und es wird geforscht und entwickelt, um die charakteristischen Eigenschaften praktisch zu nutzen.
Anwendungen von dielektrischen Elastomeren
Dielektrische Elastomere befinden sich in der Forschungs- und Entwicklungsphase. Beispiele für künftige Anwendungen sind verschiedene Aktoren wie künstliche Muskeln.
Die meisten Aktuatoren, die derzeit in der Praxis eingesetzt werden, sind hauptsächlich servomotorische oder hydraulische Typen mit begrenzter Umwandlungseffizienz. In der Industrie besteht ein wachsender Bedarf an Aktuatoren, die neue energiesparende Technologien anwenden.
Dielektrische Elastomere haben einen hohen Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung und werden daher voraussichtlich für kompakte und energiesparende Aktuatoren eingesetzt. Im Gegensatz zu piezoelektrischen Elementen finden auch das Energy Harvesting, bei dem selbst leichte Formänderungen in elektrische Energie umgewandelt werden können und Sensorfunktionen, die auf linearen Kapazitätsänderungen basieren, die mit Formänderungen des Materials einhergehen, als potenzielle Anwendungen Beachtung.
Funktionsweise der dielektrischen Elastomere
Elektroden, die sich ausdehnen und zusammenziehen können, werden auf der Ober- und Unterseite eines Elastomermaterials mit einer relativ hohen Dielektrizitätskonstante angebracht und es wird eine Hochspannung angelegt. Die dielektrische Struktur, die sich zwischen den beiden oberen und unteren Elektroden befindet, stellt einen Kondensator dar und die Coulomb-Kräfte üben einen Ausdehnungs- und Kontraktionsdruck auf das Elastomer aus. Das Quadrat der Spannung multipliziert mit der relativen Dielektrizitätskonstante und dividiert durch das Quadrat des Abstands zwischen den Elektroden ergibt den auf das Elastomer ausgeübten Druck.
Aufbau von dielektrischen Elastomeren
Der Druck, der auf dielektrische Elastomere ausgeübt wird, ist relativ hoch. Für Elastomere, die großen Belastungen standhalten sollen, sind weiche und dehnbare Materialien erforderlich.
Da die Coulomb-Kraft des Kondensators als Quelle der kinetischen Energie genutzt wird, muss die Elektrode in ständigem Kontakt mit dem Elastomer stehen, unabhängig von der Ausdehnung und Kontraktion der Elastomerform. Als Elektrodenmaterialien kommen daher Metalle, Graphitpulver oder Mischungen aus Graphit und Silikonöl in Frage.
Der Antrieb durch ein elektrisches Feld führt bei dielektrischen Elastomeren nur zu einem geringen Stromfluss und fast keinen Wärmeverlusten. Das angetriebene elektrische Feld ist hoch und die Energieumwandlungseffizienz ist hoch. Elastomerwerkstoffe mit hoher dielektrischer Durchschlagsfestigkeit sind erforderlich und Gegenstand aktiver Forschung und Entwicklung.
Arten von dielektrischen Elastomeren
Dielektrische Elastomeraktoren bestehen aus einem Elastomerfilm, der zwischen zwei Elektroden eingebettet ist. Wenn an die Elektroden eine Hochspannung angelegt wird, bewirkt die elektrostatische Anziehung zwischen den Elektroden, dass sich die Elastomerfolie in Richtung der Dicke zusammenzieht und in Richtung der Ebene ausdehnt. Die Verformung lässt sich elektrisch steuern und kann bei Geräten und Robotern eingesetzt werden.
1. Stirnseitige Aktuatoren
Dies ist ein Aktuator mit zwei Elektroden, die mit dielektrischen Elastomeren beschichtet sind.
2. Zylindrische Aktuatoren
Dies sind mit einem Elastomerfilm beschichtete und um einen Zylinder gewickelte Aktuatoren, die in Ventilen und Mikrorobotern verwendet werden. Wenn eine Spannung angelegt wird, wird eine axiale Kraft erzeugt und ausgefahren. Sie können um Druckfedern gewickelt werden und sind auch ohne Kern erhältlich.
3. Membranaktuatoren
Die Membranmembran fungiert als Aktuator. Sie ist flach ausgeführt und übt eine Kraft in Richtung der z-Achse aus.
4. Schalenaktuatoren
Dies ist ein Aktuator mit mehreren Elektroden, die an bestimmten Positionen auf einer Elastomerfolie angebracht sind, die das Fahrzeug durch Wasser oder Luft antreiben kann. Wenn Spannung angelegt wird, bildet die Elastomerfolie eine komplexe dreidimensionale Struktur.
5. Laminierte Aktuatoren
Dies sind laminierte Oberflächenaktuatoren mit hohen Kräften und Verformungen.
6. Dickenaktuatoren
Dies sind Aktuatoren mit Verschiebung oder Kraft in der z-Achsenrichtung; flache Folien werden laminiert, um die Verschiebung in der z-Achsenrichtung zu erhöhen.