Illustration av elektroforetisk koncentrationsprocess för att skapa en UNDE-film. (A) BNNS dispergerade i en dielektrisk elastomermonomerlösning attraheras till den positiva elektrodytan genom en elektroforetisk koncentrationsprocess. (B) En uppsättning för att studera kinetiken för den elektroforetiska koncentrationsprocessen:En ljuskälla och en fotodetektor placeras på motsatta sidor av en kyvettkammare där den elektroforetiska koncentrationen av BNNS äger rum. (C) Gråskalebilder av kyvettkammaren tagna av fotodetektorn vid specificerad förfluten tid av den elektroforetiska processen. Det pålagda elektriska fältet är konstant 4 MV/m. (D) Inspelat gråskalevärde kontra elektroforetisk tid vid det specificerade elektriska fältet. Gråskalevärdet tas som medelvärdet längs den streckade linjen som visas i (C). Numrerade pilar anger tiden bilderna i (C). Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm6200
Dielektriska elastomeraktuatorer (DEA) kan genomgå stor, reversibel deformation i planet. I en ny rapport som nu publicerats i Science Advances Junhong Pu och ett team av forskare inom forskning om mjuka material och polymervetenskap vid University of California, Los Angeles, USA, och Sichuan University, Kina, introducerade en elektroforetisk process för att koncentrera bornitrid-nanoskivor i en dielektrisk elastomerprekursorlösning på en vald elektrodyta. Teamet fick en unimorf nanokomposit dielektrisk elastomer förkortad UNDE med en sömlös dubbelskiktsstruktur innehållande 13 gånger modulskillnaden. Teamet kunde aktivera UNDE-konstruktionen till stora böjningskurvaturer med förbättrad hållbarhet jämfört med konventionella dielektriska elastomerer av nanokomposit. De arrangerade flera UNDE-enheter i en enkel elektroforetisk koncentrationsprocess med hjälp av mönstrade elektrodområden; sedan, genom att använda ställdonet, utvecklade de en höghastighetslinsmotor med variabel brännvidd för att bilda ett optiskt system med två linser.
Unimorfa nanokomposit dielektriska elastomerer (UNDE)
Dielektriska elastomerer är en klass av elektroaktiva polymerer som kan omvandla elektromekanisk energi via en elektrostatisk spänningsmekanism, som svar på en applicerad spänning. Materialen kännetecknas av sin stora belastning och höga energitäthet och har rönt ett enormt intresse under det senaste decenniet för tillämpningar som konstgjorda muskler och mjuk robotik. Akrylelastomerer är av intresse på grund av den största aktiveringspåkänningen som de uppvisar, och försträckningsproceduren som är involverad under tillverkningen. Materialforskare strävar efter att undvika försträckningsprocessen med akrylelastomerer genom att introducera ett andra interpenetrerande polymernätverk och kemisk modifiering för att uppnå stora aktiveringsspänningar utan försträckning. I detta arbete har Pu et al. introducerade ett elektroforetiskt tillvägagångssätt följt av in situ tvärbindning för att tillverka en gränssnittsfri unimorf nanokomposit dielektrisk elastomer gjord av lokalt koncentrerade bornitrid nanosheets (BNNS). Teamet använde den elektroforetiska processen för att producera flera funktionella unimorfa enheter i en skivformad monolitisk DEA-film genom anpassad elektrodmönster. De varierade manöverbelastningen med pålagd spänning utan materialförsämring och det kompakta manöverdonet producerade stora linjära manöverdon för användning som en direktdriven linsmotor, för optiska zoomsystem.
Pu et al. utvecklade UNDE (Unimorph nanocomposite dilectric elastomer) filmer med högkoncentrerade BNNS (boron nitride nanosheets) på en yta via elektrofores. Bornitrid nanoskivorna används vanligtvis som ett dielektriskt fyllmedel för att förbättra dielektrisk styrka och kan dispergeras i en dielektrisk elastomer för att bilda en kolloidal suspension. Teamet injicerade dispersionen mellan två parallella elektroder med ett likströmsfält applicerat mellan dem. Eftersom BNNS var negativt laddat, attraherades materialen till ytan av den positiva elektroden. Teamet botade prekursorn via ultraviolett exponering och bildade en kontinuerlig dubbelskiktsstruktur. De avbildade processen med en ljusstråle som passerade genom kyvettkammaren under elektrofores. Efter att ha utvecklat UNDE-strukturen har Pu et al. använde svepelektronmikroskopbilder för att observera egenskaperna hos konventionella dielektriska nanokompositelastomerer som kontrollmaterial, och UNDE med 3 procent BNNS i sin sammansättning. Teamet noterade mindre böjkrökningar för UNDE-filmen med BNNS koncentrerad på det översta lagret, jämfört med det nedre lagret. Arbetet indikerade högre styvhet för BNNS-koncentrerade skikt jämfört med de med utarmade koncentrationer. Forskarna undersökte de optimerade materialen för att få bindande aktivering genom att applicera en hög spänning över UNDE-filmen. Efter applicering av ett elektriskt fält upplevde de två skikten av konstruktionen enhetliga kompressionspåkänningar under cykler av böjning och återhämtning.
Manövrering av UNDE-ställdon (unimorph nanocomposite dilectric elastomer)
Forskargruppen analyserade bindningsaktiveringen av UNDE med 3 viktprocent, formad i en trapets och noterade hur de dielektriska elastomermanöverdonen fungerade på ett enkelriktat bindande sätt i förhållande till de applicerade elektriska fälten över dess tjocklek. Till exempel, vid en fältintensitet på 28 MV/m, fick teamet en bindningskurvatur på 4,4 cm -1 att skapa en nästan sluten slinga struktur. De noterade det specifika beroendet av bindande krökning på det elektriska fältets intensitet där UNDE med högre koncentrationer av bornitrid nanoskivor krävde högre elektrisk fältstyrka för att uppnå samma böjkurvatur, på grund av ökad styvhet. Teamet försåg aktiverings- och återhämtningsprocesserna med ett exponentiellt svar och krediterade det snabba svaret från de böjda dielektriska elastomermanöverdonen på den direkta energiomvandlingen från elektricitet till mekaniskt arbete. Bindningskurvaturen indikerade en avvägning mellan stor böjkurvatur och hög operationsfrekvens. Den gränssnittsfria naturen mellan de passiva bornitridnanoskivorna och det aktiva dielektriska elastomerskiktet erbjöd UNDE-manöverdonen oförstörande bindningsprestanda efter 180 graders vikning.
Strukturell karaktärisering och böjningsmekanism för UNDE-filmen. (A) Illustration av tvärsnittet av en UNDE-film, med det BNNS-koncentrerade lagret i dess övre yta. (B) SEM-bilder av tvärsnittet av UNDE med 3 viktprocent BNNS vid två olika förstoringar. (C) Optiska bilder av (i) ovanifrån av UNDE-filmen med 3 vikt-% BNNS lagt på en bänk och (ii) sidovy av filmen klappad i ena änden med det BNNS-koncentrerade lagret ovanpå och (iii) på botten. (D) Youngs modul och (E) Weibull-fördelning av nedbrytningsfältstyrkan för en ren elastomer och CNDE och UNDE med olika BNNS-innehåll. (F) Böjning av UNDE-filmen mot ytan med koncentrerad BNNS som svar på spänningstillämpning och återhämtning till ursprunglig form när spänningen tas bort. (G) Optiska bilder av sidovyn av 3 viktprocent UNDE under en aktiveringscykel (fyrkantvåg med ett maximalt elektriskt fält på 19 MV/m vid 5 Hz). Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm6200
Tillämpningar av dielektriska elastomermanöverdon
Teamet antog UNDE tillverkningsprocessen för att bilda flera individuellt tillgängliga unimorfer i en monolitisk film. Pu et al. använde skivformade dielektriska elastomermanöverdon som en fristående motorlins för att direkt omplacera ett optiskt element och ändra brännvidden hos ett kompakt och adaptivt zoomlinssystem över ett brett område. Med hjälp av zoomsystemet med två linser ökade de avståndet mellan de två linserna för att minska avståndet från systemets brännvidd och underlätta projiceringen av objekt från långt till nära arbetsavstånd, på samma plan. Jämfört med teknik för avstämbara flytande linser, uppnådde det linjära ställdondrivna optiska zoomsystemet större kapacitet för inställning av brännvidden, vilket är önskvärt för endoskop, smartphonekameror, virtuell verklighet och maskinseende.
Strukturen hos en skivformad linjär DEA och dess aktiveringsprestanda. (A) En illustration av en lokaliserad elektroforetisk koncentrationsprocess och den tillverkade skivformade monolitiska filmen med sex BNNS-koncentrerade sektorer alternativt placerade på topp- och bottenytorna; tvärsnittsfördelning av BNNS inom strukturen längs den streckade linjen (a-b-c) visas längst ner. (B) Finita elementanalysresultat på aktiveringen av en unimorf och en skivformad film med sex unimorfer. (i) En enda ringformad sektorformad unimorf med BNNS koncentrerad på den övre ytan böjer sig uppåt under ett pålagt elektriskt fält. (ii) En förenklad modell av den skivformade monolitiska filmen som visas i (A), med BNNS växelvis koncentrerad på de övre (t) och botten (b) ytorna. (iii) och (iv) visar de förenklade modellslagen upp och ner via applicering av elektriska fält över t- respektive b-områden. (C) Ett arbetsprincipdiagram för en skivformad linjär DEA. Genom att separat applicera en spänning på olika manöverorgansektioner kan ett linjärt dubbelriktat slag genereras på manöverorganets inre kant. (D) Dubbelriktad slag avsatt mot elektriskt fält. (E) Blockeringskraft av en skivformad linjär DEA genererad under olika elektriska fältstyrkor. (F) Dubbelriktad slag under fyrkantsvågaktivering vid 1, 2, 5 och 10 Hz med ett maximalt elektriskt fält på 19 MV/m. Förstorade vyer av flera aktiveringscykler under 1 och 10 Hz visas längst ner. (G) Normaliserad krökning av en böjd unimorf DEA och slag av en skivformad linjär DEA bestående av sex unimorfa enheter under ett elektriskt toppfält på 19 MV/m vid olika aktiveringsfrekvenser. Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm6200
Ett optiskt zoomsystem som drivs av den skivformade linjära DEA (linsmotor). (A) Mekanism för ett optiskt zoomsystem som består av en konvex lins (L1) och en konkav lins (L2). Systemets brännvidd och arbetsavstånd ändras när L1 rör sig från S till S′. (B) Dubbelexponeringsbilder som visar en konvex lins (CAW110, Ø6,28 mm, 0,05 g) linjärt driven av en linsmotor genom att applicera ett elektriskt fält på 24 MV/m. Linsen är monterad på motorns innerkant via en fördefinierad papperstejp. (C) Slaglängd för en linsmotor utan och med den konvexa linsen monterad på innerkanten. Dubbelriktad slag under fyrkantsvågaktivering vid 1, 2, 5 och 10 Hz med ett maximalt elektriskt fält på 24 MV/m. (D) Vänster, fotografiska bilder som visar zoomsystemet och objekt på olika avstånd; höger, fotografiska bilder tagna med det optiska zoomsystemet vid två olika brännvidder. (E) Brännviddsvariation som en funktion av det initiala avståndet mellan de två linserna och det pålagda elektriska fältet. Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm6200
På detta sätt utvecklade Junhong Pu och kollegor en ny metod för att implementera unimorfa konfigurationer i en monolitisk dielektrisk elastomerfilm genom elektrofores. Metoden underlättade koncentrationen av bornitrid nanosheet (BNNS) nanofillers i monomerer för att bilda en gränssnittsfri unimorf nanokomposit dielektrisk elastomer (UNDE). Teamet skapade flera UNDE-enheter under studien genom att ange BNNS-koncentrationer till ytområden. De resulterande linjära dielektriska elastomeraktuatorerna kan optimeras som lovande material för artificiell robotseende på grund av deras anpassningsbara och skalbara natur. + Utforska vidare
© 2022 Science X Network
