Электроактивными полимерами (ЭАП) называются такие полимеры, образцы которых способны изменять форму при приложении к ним электрического напряжения. При этом в них, наряду со значительными деформациями, развиваются значительные усилия. Благодаря схожести с живыми мускулами по развиваемым усилиям, такие полимеры также часто называют искусственными мышцами.
Типичным примером ЭАП являются слоистые структуры, выполненные в виде диэлектрической пленки, покрытой с двух сторон электродами. Активация таких структур происходит в результате действия электростатических сил, возникающих между электродами, сжимающими полимер. Обычно для активации требуются довольно высокие электрические напряжения – в сотни и даже тысячи вольт.
Фактически диэлектрические ЭАП представляют собой конденсатор, который изменяет свою емкость при приложении электрического напряжения, позволяя полимеру утончаться, увеличивая при этом площадь под действием электрического поля. Как правило, диэлектрические ЭАП характеризуются высокой эластичностью. Принцип их действия поясняется на рис. 1.
Эластичная пленка диэлектрического полимера расположена между двумя эластичными электродами. При подаче электрического напряжения на противоположных электродах скапливаются положительные и отрицательные заряды, в результате чего электроды притягиваются друг к другу, вызывая сжатие пленки. Последняя сжимается вдоль силовых линий поля и, соответственно, расширяется перпендикулярно им.
Пленка толщиной 30–60 мкм изготавливается из эластичных силиконовых и акриловых пластиков. Электроды выполняются в виде слоев проводящих углеродных частиц, взвешенных в эластичной полимерной матрице.
Рис. 1. Принцип действия диэлектрического ЭАП
Давление, которое вызывает электрическое поле, определяется
выражением
где ε – относительная диэлектрическая проницаемость полимера; εо – диэлектрическая постоянная; U – приложенное электрическое напряжение; d – толщина полимерной пленки.
Диэлектрические ЭАП применяются для создания линейных приводов, предназначенных для приведения в действие исполнительного органа машин по линейному поступательному движению.
На рис. 2, а показан в качестве примера валковый привод, который представляет собой сжатую спиральную пружину, обернутую слоем пленки из диэлектрического эластомера, ламинированного с обеих сторон эластичными электродами. Такой привод может применяться во всех случаях, когда нужно обеспечить простое линейное перемещение, например, в механизмах роботов, протезов, клапанов и насосов. Для повышения эффективности устройства можно соединить несколько элементарных приводов последовательно или параллельно.
Рис. 2. Валковые приводы на основе ЭАП: а – прямолинейное движение; б – изгибное движение
В результате небольшой доработки валковый привод может обеспечивать управляемые изгибные движения (рис. 2, б). Для этого электроды специальной формы наносятся на пленку из диэлектрического эластомера таким образом, что валик фактически представляет собой два независимо возбуждаемых привода. Так, если подать напряжение только на левую сторону валика, его правая часть остается неподвижной, и валик изогнется вправо. При подаче напряжения на обе половины цилиндр удлиняется. Усложнив конфигурацию независимых электродов, можно добиться более сложного движения. Такие изгибающиеся валики могут найти применение в роботах, манипуляторах, управляемых катетерах и эндоскопах, шагающих машинах и антенных механизмах. На рис. 3
показан пример их применения в качестве схвата.
Рис. 3. Принцип работы ЭАП-схвата: а – исходное сотояние; б – при приложении напряжения ЭАП-пластины расходятся и схват подводится к объекту; в – при снятии напряжения ЭАП-пластины принимают первоначальную форму и удерживают объект
Диэлектрические ЭАП перспективно использовать для изготовления поверхностей с управляемым рельефом. Например, регулируя рельеф поверхности крыла самолета или корпуса корабля, можно добиться лучшего обтекания воздухом и водой.
В большинстве приводов диэлектрические эластомеры деформируются вдоль плоскости довольно тонкой пленки, поэтому изменение их толщины мало. Однако, покрывая тонкопленочные слои с узорными эластичными электродами более толстыми эластичными слоями полимерного геля, можно достичь гораздо более значительного изменения толщины.
При этом гель вытекает из области расширения пленки за счет ее утончения и создает выступы там, где она сжимается.