Электроактивные полимеры - Electroactive polymers
Электроактивные полимеры или EAP - это полимеры, которые изменяют размер или форму под действием электрического поля . Чаще всего этот тип материала применяется в исполнительных механизмах и датчиках . Типичным характерным свойством EAP является то, что они будут подвергаться большой деформации, выдерживая большие силы .
Большинство исторических приводов изготовлено из керамических пьезоэлектрических материалов. Хотя эти материалы способны выдерживать большие нагрузки, они обычно деформируются лишь на долю процента. В конце 1990-х было продемонстрировано, что некоторые EAP могут демонстрировать деформацию до 380% , что намного больше, чем у любого керамического привода. Одно из наиболее распространенных приложений EAP - это робототехника при разработке искусственных мышц; таким образом, электроактивный полимер часто называют искусственной мышцей .
История
Область EAP возникла еще в 1880 году, когда Вильгельм Рентген разработал эксперимент, в котором он проверил влияние электростатического поля на механические свойства полосы из натурального каучука. Резиновая полоса была зафиксирована на одном конце и была прикреплена к массе на другом. Затем на резину распыляли электрические заряды, и было замечено, что длина изменилась. В 1925 году был открыт первый пьезоэлектрический полимер ( электрет ). Электрет был сформирован путем объединения карнаубского воска , канифоли и пчелиного воска , а затем охлаждения раствора, когда он подвергался приложенному электрическому смещению постоянного тока . Затем смесь затвердеет в полимерный материал, проявляющий пьезоэлектрический эффект .
Полимеры, которые реагируют на условия окружающей среды, отличные от приложенного электрического тока , также были важной частью этой области исследований. В 1949 г. Качальский и др. продемонстрировали, что когда коллагеновые нити погружаются в растворы кислоты или щелочи , они реагируют изменением объема . Было обнаружено, что коллагеновые нити расширяются в кислотном растворе и сжимаются в щелочном растворе. Хотя другие стимулы (например, pH ) были исследованы, из-за его простоты и практичности большинство исследований было посвящено разработке полимеров, которые реагируют на электрические стимулы, чтобы имитировать биологические системы.
Следующий крупный прорыв в EAP произошел в конце 1960-х годов. В 1969 году Каваи продемонстрировал, что поливинилиденфторид (ПВДФ) проявляет большой пьезоэлектрический эффект. Это вызвало интерес исследователей к разработке других полимерных систем, которые показали бы аналогичный эффект. В 1977 году Хидеки Ширакава и др. Открыли первые электропроводящие полимеры . Сиракава вместе с Аланом МакДиармидом и Аланом Хигером продемонстрировали, что полиацетилен электропроводен, и что, допируя его парами йода , они могут повысить его проводимость на 8 порядков. Таким образом, проводимость была близка к проводимости металла. К концу 1980-х годов было показано, что ряд других полимеров проявляют пьезоэлектрический эффект или обладают проводимостью.
В начале 1990-х годов были разработаны ионные композиты полимер-металл (IPMC), и было показано, что они демонстрируют электроактивные свойства, намного превосходящие предыдущие EAP. Основным преимуществом IPMC было то, что они могли демонстрировать активацию (деформацию) при напряжении от 1 до 2 вольт . Это на порядки меньше, чем у любого предыдущего EAP. Мало того, что энергия активации этих материалов была намного ниже, они также могли подвергаться гораздо большим деформациям. Было показано, что IPMC демонстрируют деформацию до 380%, что на порядки больше, чем ранее разработанные EAP.
В 1999 году Йосеф Бар-Коэн предложил провести матч по армрестлингу роботизированной руки EAP против Human Challenge. Это была проблема, в которой исследовательские группы по всему миру соревновались за создание роботизированной руки, состоящей из мышц EAP, которая могла бы победить человека в матче по армрестлингу . Первое испытание было проведено на конференции «Электроактивные полимерные приводы и устройства» в 2005 году. Другой важной вехой в этой области является то, что первое коммерчески разработанное устройство, включающее EAP в качестве искусственной мышцы, было произведено в 2002 году компанией Eamex в Японии. Это устройство было рыбой, которая могла плавать сама по себе, двигая хвостом с помощью мышцы EAP. Но прогресс в практической разработке не был удовлетворительным.
Исследования, финансируемые DARPA в 1990-х годах в SRI International и возглавляемые Роном Пелрином, разработали электроактивный полимер с использованием силикона и акриловых полимеров; эта технология была выделена в компанию Artificial Muscle в 2003 году, а промышленное производство началось в 2008 году. В 2010 году Artificial Muscle стала дочерней компанией Bayer MaterialScience .
Типы
EAP может иметь несколько конфигураций, но обычно делятся на два основных класса: диэлектрические и ионные.
Диэлектрик
Диэлектрические EAP - это материалы, срабатывание которых вызывается электростатическими силами между двумя электродами, которые сжимают полимер. Диэлектрические эластомеры способны к очень высоким деформациям и по сути представляют собой конденсатор, который изменяет свою емкость при приложении напряжения, позволяя полимеру сжиматься по толщине и расширяться по площади под действием электрического поля. Этот тип EAP , как правило , требует большого напряжения приведения в действие для получения высоких электрических полей ( от сотен до тысяч вольт ), но очень низкую электрическую мощность потребления. Диэлектрические EAP не требуют питания для удержания привода в заданном положении. Примерами являются электрострикционные полимеры и диэлектрические эластомеры.
Сегнетоэлектрические полимеры
Сегнетоэлектрические полимеры представляют собой группу кристаллических полярных полимеров, которые также являются сегнетоэлектрическими , что означает, что они поддерживают постоянную электрическую поляризацию, которую можно обратить или переключить во внешнем электрическом поле . Сегнетоэлектрические полимеры, такие как поливинилиденфторид (ПВДФ), используются в акустических преобразователях и электромеханических приводах из-за их собственного пьезоэлектрического отклика и в качестве тепловых датчиков из-за присущего им пироэлектрического отклика.
Электрострикционные привитые полимеры
Электрострикционные привитые полимеры состоят из гибких основных цепей с разветвленными боковыми цепями. Боковые цепи на соседних полимерах основной цепи сшиваются и образуют кристаллические единицы. Кристаллические единицы основной цепи и боковой цепи могут затем образовывать поляризованные мономеры, которые содержат атомы с частичными зарядами и генерируют дипольные моменты, как показано на рисунке 2. При приложении электрического поля к каждому частичному заряду прикладывается сила и вызывает вращение всего. полимерный блок. Это вращение вызывает электрострикционную деформацию и деформацию полимера.
Жидкокристаллические полимеры
Жидкокристаллические полимеры с основной цепью имеют мезогенные группы, связанные друг с другом гибким спейсером. Мезогены в основной цепи образуют структуру мезофазы, заставляя сам полимер принимать конформацию, совместимую со структурой мезофазы. Прямое соединение жидкокристаллического порядка с конформацией полимера дало жидкокристаллическим эластомерам основной цепи большой интерес. Синтез высокоориентированных эластомеров приводит к тепловому срабатыванию большой деформации в направлении полимерной цепи с изменением температуры, что приводит к уникальным механическим свойствам и потенциальным применениям в качестве механических приводов.
Ионный
- Ионные EAP, в которых срабатывание вызвано смещением ионов внутри полимера. Для срабатывания требуется всего несколько вольт, но ионный поток подразумевает более высокую электрическую мощность, необходимую для срабатывания, и энергия необходима для удержания исполнительного механизма в заданном положении. Примерами ионных EAPS являются проводящие полимеры , ионные композиты полимер-металл (IPMC) и чувствительные гели. Еще одним примером является гелевый актуатор Баки, который представляет собой поддерживаемый полимером слой полиэлектролитного материала, состоящий из ионной жидкости, зажатой между двумя электродными слоями, состоящими из геля ионной жидкости, содержащего одностенные углеродные нанотрубки . Название происходит из-за схожести геля с бумагой, которую можно изготавливать путем фильтрации углеродных нанотрубок, так называемой Buckypaper .
Электрореологическая жидкость
Электрореологические жидкости изменяют вязкость раствора под действием электрического поля. Жидкость представляет собой суспензию полимеров в жидкости с низкой диэлектрической проницаемостью. При приложении большого электрического поля вязкость суспензии увеличивается. Потенциальные области применения этих жидкостей включают амортизаторы, опоры двигателя и акустические амортизаторы.
Ионный полимерно-металлический композит
Ионные композиты полимер-металл состоят из тонкой иономерной мембраны с электродами из благородных металлов, нанесенными на ее поверхность. В нем также есть катионы, которые уравновешивают заряд анионов, прикрепленных к основной цепи полимера. Это очень активные исполнительные механизмы, которые демонстрируют очень высокую деформацию при низком приложенном напряжении и имеют низкий импеданс. Композиты ионный полимер-металл работают за счет электростатического притяжения между катионными противоионами и катодом приложенного электрического поля, схематическое изображение показано на рисунке 3. Эти типы полимеров наиболее перспективны для биомиметических применений, поскольку коллагеновые волокна по существу являются состоит из природных заряженных ионных полимеров. Нафион и Флемион - обычно используемые ионные полимерные металлические композиты.
Гели, реагирующие на раздражение
Гели, реагирующие на раздражение (гидрогели, когда агент набухания представляет собой водный раствор), представляют собой особый вид набухающих полимерных сеток с поведением объемного фазового перехода. Эти материалы обратимо изменяют свой объем, оптические, механические и другие свойства за счет очень небольших изменений определенных физических (например, электрического поля, света, температуры) или химических (концентрации) стимулов. Изменение объема этих материалов происходит за счет набухания / сжатия и происходит за счет диффузии. Гели обеспечивают наибольшее изменение объема твердотельных материалов. В сочетании с превосходной совместимостью с технологиями микропроизводства гидрогели, особенно чувствительные к стимулам, вызывают все больший интерес для микросистем с датчиками и исполнительными механизмами. Текущие области исследований и применения - это химические сенсорные системы, микрофлюидика и мультимодальные системы визуализации.
Сравнение диэлектрических и ионных EAP
Диэлектрические полимеры способны удерживать индуцированное смещение при активации постоянным напряжением. Это позволяет рассматривать диэлектрические полимеры для использования в робототехнике. Эти типы материалов также обладают высокой плотностью механической энергии и могут работать на воздухе без значительного снижения производительности. Однако диэлектрические полимеры требуют очень высоких полей активации (> 10 В / мкм), близких к уровню пробоя.
С другой стороны, для активации ионных полимеров требуется всего 1-2 вольта. Однако они должны сохранять влажность, хотя некоторые полимеры были разработаны как автономные инкапсулированные активаторы, что позволяет использовать их в сухой среде. Ионные полимеры также имеют низкую электромеханическую связь. Однако они идеально подходят для биомиметических устройств.
Характеристика
Хотя существует множество различных способов охарактеризовать электроактивные полимеры, здесь будут рассмотрены только три: кривая напряжения-деформации, динамический механический термический анализ и диэлектрический термический анализ.
Кривая напряжение – деформация
Кривые напряжения и деформации предоставляют информацию о механических свойствах полимера, таких как хрупкость, эластичность и предел текучести полимера. Это достигается путем приложения силы к полимеру с постоянной скоростью и измерения возникающей деформации. Пример такой деформации показан на рисунке 4. Этот метод полезен для определения типа материала (хрупкий, вязкий и т. Д.), Но это разрушающий метод, так как напряжение увеличивается до тех пор, пока полимер не расколется.
Динамический механический термический анализ (ДМТА)
Оба динамических механических анализа - это неразрушающий метод, который полезен для понимания механизма деформации на молекулярном уровне. В DMTA к полимеру прикладывается синусоидальное напряжение, и на основе деформации полимера получают модуль упругости и характеристики демпфирования (при условии, что полимер представляет собой затухающий гармонический осциллятор ). Эластичные материалы принимают механическую энергию напряжения и преобразуют ее в потенциальную энергию, которая впоследствии может быть восстановлена. Идеальная пружина будет использовать всю потенциальную энергию для восстановления своей первоначальной формы (без демпфирования), в то время как жидкость будет использовать всю потенциальную энергию, чтобы течь, никогда не возвращаясь в исходное положение или форму (высокое демпфирование). Вязкоэластичный полимер будет демонстрировать комбинацию обоих типов поведения.
Диэлектрический термический анализ (ДЭТА)
ДЭТА похож на ДМТА, но вместо переменной механической силы применяется переменное электрическое поле. Приложенное поле может привести к поляризации образца, и если полимер содержит группы с постоянными диполями (как на рисунке 2), они будут выравниваться с электрическим полем. Диэлектрическая проницаемость может быть измерена по изменению амплитуды и разложить на диэлектрические потери и хранения компоненты. Поле электрического смещения также можно измерить, следя за током. Как только поле будет удалено, диполи вернутся в случайную ориентацию.
Приложения
Материалы EAP могут быть легко изготовлены в различных формах из-за простоты обработки многих полимерных материалов, что делает их очень универсальными материалами. Одно из возможных применений EAP заключается в том, что они потенциально могут быть интегрированы в микроэлектромеханические системы (MEMS) для производства интеллектуальных приводов.
Искусственные мышцы
В качестве наиболее перспективного направления практических исследований ЭАП используются в искусственных мышцах . Их способность имитировать работу биологических мышц с высокой прочностью на излом , большой деформацией срабатывания и внутренним демпфированием вибрации привлекает внимание ученых в этой области.
Тактильные дисплеи
В последние годы появились «электроактивные полимеры для обновляемых дисплеев Брайля », которые помогают слабовидящим людям быстро читать и общаться с помощью компьютера. Эта концепция основана на использовании привода EAP, сконфигурированного в виде массива. Ряды электродов на одной стороне пленки EAP и столбцы на другой активируют отдельные элементы в массиве. Каждый элемент закреплен с помощью точки Брайля и опускается путем приложения напряжения по толщине выбранного элемента, вызывая локальное уменьшение толщины. Под управлением компьютера точки будут активированы для создания тактильных паттернов максимумов и минимумов, представляющих информацию, которую нужно прочитать.
Визуальные и тактильные впечатления от виртуальной поверхности отображаются на тактильном дисплее высокого разрешения, так называемой «искусственной коже» (рис.6). Эти монолитные устройства состоят из множества тысяч мультимодальных модуляторов (исполнительных пикселей), основанных на гидрогелях, реагирующих на стимулы. Каждый модулятор может индивидуально изменять свою передачу, высоту и мягкость. Помимо возможности использования в качестве графических дисплеев для слабовидящих, такие дисплеи интересны как свободно программируемые клавиши тачпадов и консолей.
Микрофлюидика
Материалы EAP обладают огромным потенциалом для микрофлюидики, например, в качестве систем доставки лекарств , микрофлюидных устройств и лаборатории на кристалле . Первая технология микрожидкостной платформы, о которой сообщается в литературе, основана на гелях, реагирующих на раздражители. Чтобы избежать электролиза воды, микрожидкостные устройства на основе гидрогеля в основном основаны на термочувствительных полимерах с более низкими характеристиками критической температуры раствора (НКТР), которые контролируются электротермической границей раздела. Известны два типа микронасосов: диффузионный микронасос и поршневой микронасос. Микроклапаны на основе гидрогелей, реагирующих на раздражители, демонстрируют некоторые полезные свойства, такие как толерантность к частицам, отсутствие утечек и превосходное сопротивление давлению. Помимо этих стандартных микрожидкостных компонентов, гидрогелевая платформа предоставляет также химические сенсоры и новый класс микрожидкостных компонентов, химические транзисторы (также называемые клапанами хемостата). Эти устройства регулируют поток жидкости, если достигается пороговая концентрация определенного химического вещества. Химические транзисторы составляют основу микрохимико-механических жидкостных интегральных схем. «Химические ИС» обрабатывают исключительно химическую информацию, имеют автономное питание, работают автоматически и способны к крупномасштабной интеграции.
Другая микрофлюидная платформа основана на иономерных материалах. Насосы, изготовленные из этого материала, могут работать при низком напряжении (от батареи ), иметь чрезвычайно низкий уровень шума, высокую эффективность системы и очень точный контроль расхода.
Еще одна технология, которая может извлечь выгоду из уникальных свойств приводов EAP, - это оптические мембраны. Благодаря низкому модулю упругости и механическому сопротивлению приводов они хорошо подходят для обычных материалов оптических мембран . Кроме того, один привод EAP способен создавать смещения в диапазоне от микрометров до сантиметров. По этой причине эти материалы могут использоваться для коррекции статической формы и подавления дрожания. Эти приводы также можно использовать для коррекции оптических аберраций из-за атмосферных помех.
Поскольку эти материалы демонстрируют превосходные электроактивные свойства, материалы EAP демонстрируют потенциал в области биомиметических исследований роботов, датчиков напряжения и акустики , что сделает EAP более привлекательной темой для изучения в ближайшем будущем. Они использовались для различных приводов, таких как мышцы лица и мышцы рук в роботах-гуманоидах.
Будущие направления
Область EAP еще далека от зрелости, поэтому остается ряд вопросов, над которыми еще предстоит проработать. Характеристики и долговременная стабильность EAP должны быть улучшены за счет создания водонепроницаемой поверхности. Это предотвратит испарение воды, содержащейся в EAP, а также снизит потенциальную потерю положительных противоионов, когда EAP работает в водной среде. Улучшенная поверхностная проводимость должна быть исследована с использованием методов создания бездефектной проводящей поверхности. Возможно, это можно сделать с использованием осаждения из паровой фазы или других методов легирования. Также можно использовать проводящие полимеры для образования толстого проводящего слоя. Было бы желательно, чтобы термостойкий EAP позволял работать при более высоких напряжениях без повреждения внутренней структуры EAP из-за выделения тепла в композите EAP. Разработка EAP в различных конфигурациях (например, волокна и пучки волокон) также будет полезна для увеличения диапазона возможных режимов движения.