Microsphere-based modeling of electro-active polymers

Sammanfattning: Elektroaktiva polymerers (EAPs) främsta egenskap är deras förmåga att kunna omvandla elektrisk energi till mekanisk energi (och vice versa). Den typ av EAPs som behandlas inom ramen för detta arbete kallas för dielektriska elastomerer och är en undergrupp av elektroniska elektroaktiva polymerer. De karakteriseras av en väldigt låg elastisk styvhet, kapabel till stora elastiska deformationer, och av en hög energidensitet. En dielektrisk elastomer placerad mellan två elektroder som kopplas till en strömkälla kommer komprimeras på grund av den elektriska fältstyrka som byggs upp mellan elektroderna, då materialet inte leder ström. Eftersom materialet dessutom anses vara inkompressibelt kommer ytan vinkelrätt mot det elektrisk fältet att öka. Dielektriska elastomerer aktiverade på detta sätt kan ersätta mer tradionella material inom flera högteknologiska områden såsom justerbara linser, mikropumpar, högtalare och som generatorer i system som utvinner förnyelsebar energi. Dess likheter med muskler, som också reagerar på elektriska signaler med deformation och är väldigt elastiska, har gett dem smeknamnet artificiella muskler. Denna avhandling berör till största delen matematiska modeller av dielektriska elastomerer och tillhörande simuleringar av olika randvärdesproblem. Även experiment på dielektriska elastomerer under inverkan av elektromekaniskt kopplade laster har utförts. Inom ramen för modellering har arbetet koncentrerats kring den så kallade mikrosfär-metoden. Utnyttjande av mikrosfär-metoden möjliggör användandet av en-dimensionella fria energier, baserade på till exempel statistisk mekanik. Via en medelvärdesbildning över ytan på mikrosfären är det möjligt att transformera de en-dimensionella storheterna till tre-dimensionella motsvarigheter som representerar responsen av kontinuumet. Metoden, som tidigare använts med framgång på gummi-liknande material under mekanisk last, har i denna avhandling utökats för att inkorporera elektromekaniska kopplingar. Metoden visades ge tillförlitliga resultat även för dielektriska elastomerer utsatta för ett elektriskt fält. För att anpassa modellen till specifika val av dielektriska elastomerer har experiment, både gjorda inom ramen för detta arbete och rapporterade i litteraturen, använts för att kalibrera och förfina modellen ytterligare.