1. Верхний и нижний слои из полиимидной пленки с интегрированными электродами (фиксация уровня возбуждения пьезоматериала под воздействием вибрации);
2. Пленочное эпоксидное связующее (слои стоппера, останавливающие рост трещин в волокнах и эпоксидной пьезокомпозиции 3 ; обеспечение монолитности структуры актюатора;
3. Слой эпоксиволокнита (структуры с прямоугольным сечением) с однонаправленным
(используют и ортотропные структуры)пьезоэлектрическими волокнами.
Рисунок 3.2 - Многослойная конструкция (а) актюатора (б) с пьезоэлектрическим слоем из эпоксидного волокнита с пьезоэлектрическими волокнами [ ].
(JEC Composite Magazine, 2007, № 36):
Известны две группы полимеров, изменяющих форму, размеры под действием электрического поля: - ионные ЭАП на основе ионных полимерных гелей, иономерных полимер- металлических композиций, электропроводящих полимеров, углеродных нанотрубок (их действие основано на электрохимии-движении или диффузии заряженных ионов в водной среде, необходима эластичная герметичная оболочка, сохраняющая гель; изменяют размеры только при прохождение тока определенного напряжения, иначе проходит электролиз); - электронные ЭАП на основе ферроэлектрических полимеров и электрострикционных привитых эластомеров (высокое быстродействие, значительные механические усилия с изменением размеров при воздействии электрического поля высокого, 1-5 кВ, напряжения при малой силе тока, почти не нагреваются). Материалы на основе кремнийорганических каучуков под действием электрического поля сжимаются на 20-30 % вдоль силовых линий и расширяются перпендикулярно им (максвелловская деформация). У материалов на основе эластомеров (сополимеры производных акриловой кислоты с различными виниловыми монометрами, при R-C4H9 Tc=-35oC).
с пьезоэлектрической кристаллической фазой удельное смещение под действием электростатического поля достигает 380%.
На рисунке 3.3 приведены сравнительные данные о коэффициентах деформации (удельное растяжение на единицу длины) в зависимости от силовой характеристики (отношение достигаемого давления к плотности материала) для различных материалов и устройств, активируемых электрическим током, электростатическим и электромагнитным полями. Наибольшие деформации и усилия свойственны диэлектрическим эластомером, в частности, акриловым.
Рисунок 3.3 - Сравнительные характеристики различных электроактивных материалов.
3) Введением термоустойчивых (с анизотропией термоупругих свойств) элементов из волокнистых ВПКМ (двухслойные ортотропные плоские неуравновешанной структуры пластины, незамкнутые кольца, пружины прямоугольного сечения, армированные в окружном направлении, стержни и пластины, армированные кручеными жгутами; адаптирование имеет место в ВПКМ с несбалансированной схемой армирования), выполняющих функцию актюаторов за счет преобразования тепловой энергии в механическую работу ;
4) Введением полимеров с памятью. Под напряжением макромолекулы полиакрилатов и поливиниловых эфиров способны изменять конформацию (переход от ориентированной к клубкообразной конформации, от кристаллов с выпрямленными цепями, КВЦ, к кристаллам складчатой формы, КСЦ, с изменением объёма, переходы сопровождаются способностью совершать определённую работу) ;
5) Использованием фоточувствительных полимеров (оптически активных), изменяющих свою форму под воздействием света с определенной длиной волны и совершающих работу при возвращении к исходной форме ;
6) Введением в матрицу ИВПКМ капсулированных (диаметр капсул около 1 мкм) магнито- и электрореологических жидкостей. Вязкие магнитореологические жидкости - коллоидные растворы с ферромагнитными частицами диаметром <10 нм. Электрореологические жидкости - коллоидные растворы с сегнетоэлектрическими (пьезоэлектрическими) и электретными (полимерные поляризованные в сильном электрическом поле за счёт ориентации дипольных электрических моментов диэлектрики) частицами в кремнийорганических жидкостях или композиции с вязкоупругими полимерными связующими.
Ферромагнитные, сегнетоэлектрические, электретные частицы в электромагнитном поле ориентируются в инертной жидкости в капсулах. Магнито- и электрореологические жидкости утрачивают текучесть (замораживание магнитных моментов, магнитное стеклование). Конфигурация частиц приближается к порогу перколяции и возникает жёсткая система, вязкость которой резко изменяется если продолжительность воздействия электрического поля меньше времени релаксации, то система жёсткая - вязкость возрастает, если больше, то система вязкая, что позволяет эффективно осуществить вибропоглощение (и использовать в качестве датчиков для оценки степени вибрации). На основе резин, полимерных пен, термоэластопластов получают эффективные вибропоглощающие материалы с хорошими демпфирующими свойствами ;
7) Использованием магнитоэластичных аморфных материалов с прямым и обратным преобразованием электрической энергии в механическую, в том числе с наполнителями из порошков самарий-кобальтовых сплавов ;
8) Использованием механохимических материалов, обеспечивающих прямое преобразование химической энергии в механическую ;
9) Использованием ЖК- эластомеров (напр. полидиметилсилоксан с боковыми мезогенными группами (активны при нагреве из-за перехода из нематической структуры в изотропную; деформация до 400%).
Сравнительные актюаторные свойства различных материалов приведены в таблице 2.1
Таблица 3.1 - Сравнительные характеристики материалов, определяющие эффективность их использования в качестве актюаторных.
Характеристики |
Термочувствительные ВПКМ |
Пьезокерамика |
Биморфные материалы |
Сплавы с памятью |
Термоактивные ЖК- эластомеры |
Полиэлектролитные гели |
Деформация, % |
>1 |
0,1-0,1 |
~ 1,0 |
Менее 8 (необратимые) Менее 2 (обратимые) |
400 |
>10 |
Величина актюаторного напряжения |
5-50 МПа |
30-40 МПа |
>200 МПа |
~ 700 МПа |
100 кПа |
10-30 МПа |
Удельная работа, Дж/кг |
30-40 (40-50 кДж/м3) |
0,3-6,8 |
20-25 |
до 2000 |
- |
10-30 |
Плотность г/см3 |
1,4-2,3 |
6-8 |
5-7 |
6-7 |
1,2-1,4 |
1,0-1,2 |