Los elastómeros dieléctricos ( DE ) son sistemas de materiales inteligentes que producen grandes deformaciones . Pertenecen al grupo de polímeros electroactivos (EAP). Los actuadores DE (DEA) transforman la energía eléctrica en trabajo mecánico. Son ligeros y tienen una alta densidad de energía elástica. Han sido investigados desde finales de la década de 1990. Existen muchas aplicaciones prototipo. Cada año, se celebran conferencias en los EE . UU. [1] y Europa. [2]
Principios de trabajo
Un DEA es un condensador compatible (ver imagen), donde una película de elastómero pasivo se intercala entre dos electrodos compatibles . Cuando un voltaje se aplica, la presión electrostáticaque surgen de las fuerzas de Coulomb actúan entre los electrodos. Los electrodos aprietan la película de elastómero. La presión electromecánica equivalente es el doble de la presión electrostática y viene dado por:
dónde es la permitividad del vacío ,es la constante dieléctrica del polímero yes el espesor de la película de elastómero. Por lo general, las deformaciones de DEA son del orden de 10 a 35%, los valores máximos alcanzan el 300% (el elastómero acrílico VHB 4910, disponible comercialmente en 3M , que también admite una alta densidad de energía elástica y una alta resistencia a la ruptura eléctrica ).
Iónico
Reemplazar los electrodos con hidrogeles blandos permite que el transporte iónico reemplace el transporte de electrones. Los hidrogeles iónicos acuosos pueden generar potenciales de varios kilovoltios, a pesar del inicio de la electrólisis por debajo de 1,5 V. [3] [4]
La diferencia entre la capacitancia de la doble capa y el dieléctrico conduce a un potencial a través del dieléctrico que puede ser millones de veces mayor que el de la doble capa. Pueden realizarse potenciales en el rango de kilovoltios sin degradar electroquímicamente el hidrogel. [3] [4]
Las deformaciones están bien controladas, son reversibles y pueden funcionar en alta frecuencia. Los dispositivos resultantes pueden ser perfectamente transparentes. Es posible la activación de alta frecuencia. Las velocidades de conmutación están limitadas únicamente por la inercia mecánica. La rigidez del hidrogel puede ser miles de veces menor que la del dieléctrico, lo que permite la actuación sin restricciones mecánicas en un rango de casi el 100% a velocidades de milisegundos. Pueden ser biocompatibles. [3] [4]
Los problemas restantes incluyen el secado de los hidrogeles, la acumulación de iones, la histéresis y los cortocircuitos eléctricos. [3] [4]
Los primeros experimentos en la investigación de dispositivos semiconductores se basaron en conductores iónicos para investigar la modulación de campo de los potenciales de contacto en el silicio y para habilitar los primeros amplificadores de estado sólido. El trabajo desde 2000 ha establecido la utilidad de los electrodos de puerta de electrolito. Los geles iónicos también pueden servir como elementos de transistores de grafeno extensibles de alto rendimiento. [4]
Materiales
Las películas de polvo de carbón o grasa cargadas con negro de carbón fueron las primeras opciones como electrodos para los DEA. Dichos materiales tienen poca confiabilidad y no están disponibles con técnicas de fabricación establecidas. Se pueden lograr características mejoradas con metal líquido, láminas de grafeno , recubrimientos de nanotubos de carbono, capas implantadas en la superficie de nanoclusters metálicos y películas metálicas corrugadas o estampadas. [4] [5]
Estas opciones ofrecen propiedades mecánicas limitadas, resistencias de chapa, tiempos de conmutación y fácil integración. Las siliconas y los elastómeros acrílicos son otras alternativas.
Los requisitos para un material elastómero son:
- El material debe tener baja rigidez (especialmente cuando se requieren grandes deformaciones);
- La constante dieléctrica debe ser alta;
- La resistencia a la ruptura eléctrica debe ser alta.
El preestirado mecánico de la película de elastómero ofrece la posibilidad de mejorar la resistencia a la ruptura eléctrica. Otras razones para preestirar incluyen:
- El espesor de la película disminuye, requiriendo un voltaje más bajo para obtener la misma presión electrostática;
- Evitar tensiones de compresión en las direcciones del plano de la película.
Los elastómeros muestran un comportamiento visco-hiperelástico. Se requieren modelos que describen grandes deformaciones y viscoelasticidad para el cálculo de dichos actuadores.
Los materiales utilizados en la investigación incluyen polvo de grafito, mezclas de aceite de silicona / grafito y electrodos de oro. El electrodo debe ser conductor y compatible. El cumplimiento es importante para que el elastómero no se limite mecánicamente cuando se alargue. [4]
Las películas de hidrogeles de poliacrilamida formadas con agua salada se pueden laminar sobre las superficies dieléctricas, reemplazando los electrodos. [4]
Los ED basados en silicona ( PDMS ) y caucho natural son campos de investigación prometedores. [6] Propiedades tales como tiempos de respuesta rápidos y eficiencia son superiores al usar DE a base de caucho natural en comparación con los DE a base de VHB ( elastómero acrílico ) para deformaciones por debajo del 15%. [7]
Instabilites en elastómeros dieléctricos
Los actuadores de elastómero dieléctrico deben diseñarse para evitar el fenómeno de ruptura dieléctrica en todo su curso de movimiento. Además de la ruptura dieléctrica, los DEA son susceptibles a otro modo de falla, denominado inestabilidad electromecánica, que surge debido a la interacción no lineal entre las fuerzas de restauración electrostáticas y mecánicas. En varios casos, la inestabilidad electromecánica precede a la ruptura dieléctrica. Los parámetros de inestabilidad (voltaje crítico y el estiramiento máximo correspondiente) dependen de varios factores, como el nivel de preestiramiento, la temperatura y la permitividad dependiente de la deformación. Además, también dependen de la forma de onda de voltaje utilizada para impulsar el actuador. [8]
Configuraciones
Las configuraciones incluyen:
- Actuadores enmarcados / en plano: Un actuador enmarcado o en plano es una película elastomérica recubierta / impresa con dos electrodos. Normalmente, se monta un marco o estructura de soporte alrededor de la película. Algunos ejemplos son círculos en expansión y planos (fase única y múltiple).
- Actuadores cilíndricos / de rodillo: Las películas de elastómero recubiertas se enrollan alrededor de un eje. Por activación, aparecen una fuerza y un alargamiento en la dirección axial. Los actuadores se pueden enrollar alrededor de un resorte de compresión o sin núcleo. Las aplicaciones incluyen músculos artificiales ( prótesis ), mini y microrobots y válvulas.
- Actuadores de diafragma: Un actuador de diafragma se fabrica como una construcción plana que luego se desvía en el eje z para producir un movimiento fuera del plano.
- Actuadores en forma de carcasa: las películas de elastómero planas se recubren en ubicaciones específicas en forma de segmentos de electrodos. Con una activación bien dirigida, las láminas adoptan formas tridimensionales complejas. Pueden utilizarse ejemplos para propulsar vehículos a través del aire o el agua, por ejemplo, para dirigibles.
- Actuadores apilados: los actuadores planos apilables pueden aumentar la deformación. Los actuadores que se acortan con la activación son buenos candidatos.
- Actuadores de modo de espesor: la fuerza y la carrera se mueven en la dirección z (fuera del plano). Los actuadores de modo de espesor son típicamente una película plana que puede apilar capas para aumentar el desplazamiento.
- Actuadores de flexión: la actuación en plano del actuador basado en elastómero dieléctrico (DE) se convierte en una actuación fuera del plano, como doblar o plegar, utilizando una configuración unimorfa en la que una o varias capas de hojas DE se apilan sobre una capa sustrato. [9]
- Actuadores de globo: el elastómero plano se une a una cámara de aire y se infla con un volumen constante de aire, luego la rigidez del elastómero se puede variar aplicando una carga eléctrica; de ahí que resulte en un abultamiento controlado por voltaje del globo elastomérico. [10]
Aplicaciones
Los elastómeros dieléctricos ofrecen múltiples aplicaciones potenciales con el potencial de reemplazar muchos actuadores electromagnéticos, neumáticos y actuadores piezoeléctricos. Una lista de aplicaciones potenciales incluye:
- Retroalimentación háptica
- Zapatillas
- Valvulas
- Robótica
- Estructura activa inspirada en el origami [9]
- Prótesis
- Generación de energía
- Control activo de vibraciones de estructuras
- Posicionadores ópticos tales para enfoque automático, zoom, estabilización de imagen
- Detección de fuerza y presión
- Pantallas braille activas
- Altavoces
- Superficies deformables para óptica y aeroespacial
- Recolección de energía
- Ventanas con cancelación de ruido [4]
- Interfaces táctiles montadas en pantalla [4]
- Óptica adaptativa [4]
Referencias
- ^ "Detalle de la conferencia para dispositivos y actuadores de polímero electroactivo (EAPAD) XV" . Spie.org. 14 de marzo de 2013 . Consultado el 1 de diciembre de 2013 .( se requiere registro )
- ^ Conferencia europea
- ^ a b c d Keplinger, C .; Sun, J. -Y .; Foo, CC; Rothemund, P .; Whitesides, GM; Suo, Z. (2013). "Conductores iónicos, transparentes, estirables". Ciencia . 341 (6149): 984–7. Código bibliográfico : 2013Sci ... 341..984K . CiteSeerX 10.1.1.650.1361 . doi : 10.1126 / science.1240228 . PMID 23990555 .
- ^ a b c d e f g h yo j k Rogers, JA (2013). "Un claro avance en actuadores suaves". Ciencia . 341 (6149): 968–969. Código bibliográfico : 2013Sci ... 341..968R . CiteSeerX 10.1.1.391.6604 . doi : 10.1126 / science.1243314 . PMID 23990550 .
- ^ Liu, Yang; Gao, Meng; Mei, Shengfu; Han, Yanting; Liu, Jing (2013). "Electrodos de metal líquido ultracompatibles con capacidad de autorreparación en el plano para actuadores de elastómero dieléctrico". Letras de Física Aplicada . 103 (6): 064101. Código bibliográfico : 2013ApPhL.103f4101L . doi : 10.1063 / 1.4817977 .
- ^ Madsen, Frederikke B .; Daugaard, Anders E .; Hvilsted, Søren; Skov, Anne L. (1 de marzo de 2016). "El estado actual de los transductores de elastómero dieléctrico a base de silicona" (PDF) . Comunicaciones Macromoleculares Rápidas . 37 (5): 378–413. doi : 10.1002 / marc.201500576 . ISSN 1521-3927 . PMID 26773231 .
- ^ Koh, SJA; Keplinger, C .; Iluminado.; Bauer, S .; Suo, Z. (1 de febrero de 2011). "Generadores de elastómeros dieléctricos: cuánta energía se puede convertir # x003F;". Transacciones IEEE / ASME sobre mecatrónica . 16 (1): 33–41. doi : 10.1109 / TMECH.2010.2089635 . ISSN 1083-4435 .
- ^ https://asmedigitalcollection.asme.org/appliedmechanics/article/85/11/111009/444956/A-Modulated-Voltage-Waveform-for-Enhancing-the
- ^ a b Ahmed, S .; Ounaies, Z .; Frecker, M. (2014). "Investigar el rendimiento y las propiedades de los actuadores de elastómero dieléctrico como un medio potencial para accionar estructuras de origami". Materiales y estructuras inteligentes . 23 (9): 094003. Código Bibliográfico : 2014SMaS ... 23i4003A . doi : 10.1088 / 0964-1726 / 23/9/094003 .
- ^ Sharma, Atul Kumar; Arora, Nitesh; Joglekar, MM (2018). "DC inestabilidad dinámica pull-in de un globo de elastómero dieléctrico: un enfoque basado en la energía" . Actas de la Royal Society A: Ciencias Matemáticas, Físicas e Ingeniería . 474 (2211): 20170900. Bibcode : 2018RSPSA.47470900S . doi : 10.1098 / rspa.2017.0900 . PMC 5897764 . PMID 29662346 .
Otras lecturas
- Pelrine, R .; Kornbluh, R .; Pei, Q .; Joseph, J. (2000). "Elastómeros de alta velocidad accionados eléctricamente con deformación superior al 100%". Ciencia . 287 (5454): 836–839. Código Bibliográfico : 2000Sci ... 287..836P . doi : 10.1126 / science.287.5454.836 . PMID 10657293 .
- Carpi; De Rossi; Kornbluh; Pelrine; Sommer-Larsen (2008). "Elastómeros dieléctricos como transductores electromecánicos: fundamentos, materiales, dispositivos, modelos y aplicaciones de una tecnología emergente de polímeros electroactivos" . Elsevier . Cite journal requiere
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( ayuda )
enlaces externos
- Programa de materiales y estructuras inteligentes (EAP / AFC) en Empa
- Red científica europea de músculos artificiales
- EuroEAP - Conferencia internacional sobre transductores de polímeros electromecánicamente activos (EAP) y músculos artificiales
- Actuadores de polímeros electroactivos de todo el mundo * Webhub : compendio de enlaces de Yoseph Bar-Cohen en JPL
- Loverich, JJ; Kanno, I .; Kotera, H. (2006). "Conceptos para una nueva clase de microbombas totalmente poliméricas". Lab on a Chip . 6 (9): 1147-1154. doi : 10.1039 / b605525g . PMID 16929393 .
- Danfoss PolyPower
- El laboratorio de biomimética de la Universidad de Auckland
- Actuadores de pila de elastómero dieléctrico (DESA) en Technische Universität Darmstadt
- Proyecto PolyWEC EU: Nuevos mecanismos y conceptos para la explotación de polímeros electroactivos para la conversión de energía undimotriz