¿Qué es un Elastómero Dieléctrico?
Los elastómeros dieléctricos son elastómeros que cambian de forma cuando el material se somete a un campo eléctrico elevado, lo que provoca una deformación importante.
Elastómero es una palabra acuñada que combina las palabras “elástico” y “polímero”. Se refiere a un material de poliméro elástico, del que el caucho es un ejemplo típico.
Los elastómeros dieléctricos son elastómeros que convierten la energía eléctrica en energía cinética mecánica. Generalmente, la constante dieléctrica debe ser alta y el material debe ser relativamente blando, y se está investigando y desarrollando para aprovechar en la práctica sus características.
Aplicaciones de los Elastómeros Dieléctricos
Los elastómeros dieléctricos se encuentran en fase de investigación y desarrollo. Entre los ejemplos de aplicaciones futuras figuran diversos actuadores, como los músculos artificiales.
La mayoría de los actuadores que se utilizan actualmente en la práctica son de tipo servomotor o hidráulico, con una eficiencia de conversión limitada. Para hacer realidad una sociedad descarbonizada que tenga en cuenta las cuestiones medioambientales, la industria demanda cada vez más actuadores que apliquen nuevas tecnologías de ahorro energético.
Los elastómeros dieléctricos tienen una alta eficiencia de conversión de energía, por lo que se espera que se apliquen a actuadores que sean compactos y puedan funcionar ahorrando energía.
A diferencia de los elementos piezoeléctricos, la captación de energía, en la que incluso los cambios de forma suaves pueden convertirse en energía eléctrica, y las funciones de sensor basadas en los cambios lineales de capacitancia asociados a los cambios de forma del material también atraen la atención como aplicaciones potenciales.
Principios de los Elastómeros Dieléctricos
Se aplican electrodos que pueden expandirse y contraerse a la parte superior e inferior de un material elastómero con una constante dieléctrica relativamente alta, y se aplica un alto voltaje.
La estructura dieléctrica intercalada entre los dos electrodos superior e inferior es un condensador, y las fuerzas de Coulomb ejercen una presión de expansión y contracción sobre el elastómero. El cuadrado de la tensión multiplicado por la constante dieléctrica relativa y dividido por el cuadrado de la distancia entre los electrodos es la presión aplicada al elastómero.
Estructura de los Elastómeros Dieléctricos
La presión ejercida sobre los elastómeros dieléctricos es relativamente elevada. Para que los elastómeros soporten grandes esfuerzos, se necesitan materiales blandos y elásticos, por lo que suelen utilizarse materiales acrílicos y de silicona.
Como la fuerza de Coulomb del condensador se utiliza como fuente de energía cinética, el electrodo debe estar en contacto constante con el elastómero, independientemente de los cambios de dilatación y contracción de la forma del elastómero.
Los materiales candidatos para los electrodos son, por tanto, metales, polvos de grafito o mezclas de grafito y aceite de silicona. El accionamiento del campo eléctrico con elastómero dieléctrico sólo produce un pequeño flujo de corriente y casi ninguna pérdida de calor.
El campo eléctrico accionado es elevado y la eficiencia de conversión de energía es alta. Se necesitan materiales elastómeros con alta resistencia a la ruptura dieléctrica, que son objeto de investigación y desarrollo activos.
Tipos de Elastómeros Dieléctricos
Los actuadores de elastómero dieléctrico consisten en una película de elastómero intercalada entre dos electrodos. Cuando se aplica alta tensión a los electrodos, la atracción electrostática entre ellos hace que la película de elastómero se contraiga en la dirección del grosor y se expanda en la dirección del plano. La deformación puede controlarse eléctricamente y aplicarse a dispositivos y robots.
1. Actuador Frontal
Actuador con dos electrodos recubiertos de elastómero dieléctrico.
2. Actuadores Cilíndricos
Actuadores recubiertos con una película de elastómero y enrollados alrededor de un cilindro, utilizados en válvulas y microrobots.
Cuando se aplica una tensión, se genera una fuerza axial que se extiende. Pueden enrollarse alrededor de muelles de compresión y están disponibles sin núcleo.
3. Actuadores de Diafragma
La membrana del diafragma actúa como actuador. Se hace plana y aplica fuerza en la dirección del eje z.
4. Actuadores de Concha
Un actuador con varios electrodos montados en posiciones específicas sobre una película de elastómero, que puede propulsar el vehículo a través del agua o el aire. Cuando se aplica tensión, la película de elastómero forma una compleja estructura tridimensional.
5. Actuadores Laminados
Actuadores de superficie laminada con fuerzas y deformaciones elevadas.
6. Actuadores de Espesor
Actuador con desplazamiento o fuerza en la dirección del eje z; las películas planas se laminan para aumentar el desplazamiento en la dirección del eje z.