Language
Country/Area
No result found
С 1880 года по настоящее время: какова удивительная эволюция электроактивных полимеров?
Электроактивные полимеры (ЭАП) — это полимеры, которые могут изменять размер или форму в ответ на стимуляцию электрическим полем. Наиболее типичными областями применения этого типа материала являются приводы и датчики. Примечательным свойством ЭАП является то, что они могут выдерживать большие деформации при воздействии больших сил. Раньше приводы в основном изготавливались из керамических пьезоэлектрических материалов, которые, хотя и могли выдерживать большие усилия, часто деформировались менее чем на одну тысячную часть. К концу 1990-х годов исследования показали, что некоторые ЭАП могут достигать деформации до 380%, что намного превышает показатели любого керамического актуатора. Важным применением ЭАП в робототехнике является разработка искусственных мышц, поэтому электроактивные полимеры часто называют искусственными мышцами.
Исторически изучение электроактивных полимеров началось в 1880 году, когда Вильгельм Рентген разработал эксперимент по исследованию влияния электростатических полей на механические свойства натурального каучука.
К резиновой ленте, один конец которой закреплен, из воздуха прикладывается электрический заряд и наблюдается изменение ее длины. В 1925 году был открыт первый пьезоэлектрический полимер (диэлектрик), и это исследование заложило основу будущего ЭАП. Материал изготавливается путем смешивания карнабского воска, смолы и пчелиного воска с последующим охлаждением под действием постоянного напряжения. Со временем реакция полимеров на условия окружающей среды также стала объектом внимания этой области исследований. В 1949 году Качарский и др. продемонстрировали, что коллагеновые волокна демонстрируют изменения объема в кислых или щелочных растворах, что также послужило толчком к исследованиям других стимулов.
В 1969 году Каваи подтвердил, что поливинилиденфторид (ПВДФ) обладает сильным пьезоэлектрическим эффектом, что вызвало интерес исследователей к разработке других полимеров с аналогичными эффектами.
В 1977 году Хидеки Сиокава и другие открыли первую партию проводящих полимеров. Проводимость полиацетилена можно увеличить на восемь порядков путем легирования парами йода. С изобретением в начале 1990-х годов иономерно-металлических композитов (ИПМК) развитие ЭАП вступило в новый этап. Для деформации этого материала требуется всего лишь один-два вольта напряжения, что свидетельствует о более широком потенциале применения EAP.
В 1999 году Юсеф Бар-Кохан предложил идею соревнования роботизированных рук EAP с людьми, а первое соревнование состоялось на конференции в 2005 году. В 2002 году японская компания Eamex выпустила первое коммерческое устройство с искусственными мышцами EAP — рыбу, способную плавать самостоятельно, что ускорило развитие EAP в практическом применении. Однако реальный прогресс соответствующих технологий все еще неудовлетворителен. Исследования, финансируемые DARPA в 1990-х годах, привели к созданию компании по производству искусственных мышц в 2003 году и промышленному производству в 2008 году.
Типы электроактивных полимеров
По своей структуре ЭАП можно разделить на две категории: диэлектрические и ионные.
Диэлектрический ЭАП
В диэлектрических ЭАП срабатывание вызывается электростатическими силами между электродами. Диэлектрические эластомеры способны выдерживать очень высокие деформации и ведут себя как конденсатор, емкость которого изменяется при подаче напряжения.
Пьезоэлектрические полимеры
Этот класс полимеров использует пьезоэлектрический эффект для создания акустических датчиков и приводов двигателей и имеет широкий спектр применения благодаря своему собственному пьезоэлектрическому отклику.
Жидкокристаллический полимер
Основной цепной жидкокристаллический полимер имеет цепочечную структуру, которая может проявлять уникальные механические свойства при термических изменениях и имеет потенциальные применения в механических приводах.
Ионный EAP
Этот тип полимера приводится в действие за счет смещения ионов внутри полимера, для чего требуется всего несколько вольт, но относительно высокая электрическая мощность.
Направление будущего развития
Хотя сфера EAP все еще развивается, еще предстоит решить множество проблем. С одной стороны, улучшение эксплуатационных характеристик и долгосрочной стабильности EAP, а также разработка водонепроницаемой поверхности для предотвращения испарения воды позволит эффективно повысить его надежность в различных условиях. С другой стороны, разработка термостабильных ЭАП для улучшения их способности непрерывно работать при более высоких напряжениях также является одним из направлений будущих исследований.
На фоне постоянного прогресса технология EAP получит возможность интегрироваться во все большее количество областей применения в будущем, особенно в интерфейсе между людьми и машинами. С развитием материаловедения и технологий, а также развитием технологии биомимикрии мы не можем не задаться вопросом, какие удивительные изменения принесут электроактивные полимеры в будущем?
