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电场活化聚合物(DE)平面弯曲致动器设计

刘亚东  
【摘要】: 微致动器作为微电子机械的核心驱动元件,一直都是MEMS研究的热点和突破点,并在一定程度上成为衡量MEMS发展水平的重要标志。电场活化聚合物是电子型电活性聚合物中的一类膜状的绝缘塑料,具有柔软、富有弹性、重量轻、类似动物的肌肉诸多特点,特别是它在直流电场作用下会产生大幅度的应变,其变形率远大于压电陶瓷等传统的电致伸缩材料,驱动效率高,抗振动性能好,这就使得这类材料具备了作为微型机械中电致动器(Actuators)基础材料的可能性,在仿生机械微驱动和微机械中具有极大的应用潜力。 本文所设计的电场活化聚合物(DE)平面弯曲致动器是一种能够将电能直接转化为平面弯曲运动的装置。本文阐述了电场活化聚合物卷筒型平面弯曲致动器的工作原理,确定了电场活化聚合物平面弯曲致动器的结构方案;建立了相应的力学模型,推导、建立了电场活化聚合物平面弯曲致动器的全套设计公式,特别是基于虚功原理推导出螺旋弹簧的横向刚度计算公式;数值模拟结果表明:所设计的平面弯曲致动器可以实现预期的平面弯曲运动;设计出电场活化聚合物平面弯曲致动器的全部零件并制作了实体原型;虽然最后因为种种原因未能成功完成实体原型试验,但仍然为此类致动器的设计和应用在理论上提供了设计计算方法、在结构上提供了借鉴、在制作工艺上积累了经验。


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