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Dielektrische ElastomereWeiteres empfehlenswertes Fachwissen
EinführungDielektrische Elastomere (DE) sind adaptive Materialsysteme, welche hohe Dehnungen (bis zu 300%) erzeugen können. Sie gehören zur Gruppe der elektroaktiven Polymere (EAP). Basierend auf ihrem einfachen Funktionsprinzip wandeln dielektrische Elastomer-Aktoren (DEA) elektrische Energie direkt in mechanische Arbeit um. DE sind sehr leicht, haben eine hohe elastische Energiedichte und werden seit Ende der 90er-Jahren erforscht. Viele potentielle Anwendungen befinden sich derzeit im Prototypenstadium. Im Frühjahr findet jedes Jahr in San Diego eine SPIE-Konferenz statt, an der die neusten Forschungsresultate auf dem Gebiet DEA ausgetauscht werden.
FunktionsprinzipEin DEA ist im Prinzip ein nachgiebiger elektrostatischer Kondensator (siehe Bild). Ein passiver Elastomerfilm wird zwischen zwei nachgiebigen Elektroden eingeklemmt. Wenn eine elektrische Spannung U angelegt wird, ziehen sich die gegenüberliegenden Elektroden aufgrund des elektrostatischen Druckes pel (Coulomb-Kräfte) an. Der inkompressible Elastomerfilm wird in Dickenrichtung zusammengedrückt und dehnt sich in seitlicher Richtung aus. Der äquivalente elektromechanische Druck peq ist doppelt so gross wie der elektrostatische Druck pel und lässt sich berechnen als Wobei die Permittivität des Vakuums, die Dielektrizitätskonstante und z die Schichtdicke des Elastomerfilms ist. Uebliche unidirektionale Dehnungen von DEA liegen bei 10-35%, Maximalwerte gehen bis zu 300%.
MaterialienAls Elastomer-Materialien werden häufig Silikone oder Acryle verwendet. Besonders das akrylische Elastomer VHB 4910 von der Firma 3M wird in der Forschung häufig verwendet, weil es bis anhin die grössten Dehnungen (bis zu 300%) gezeigt hat. Grundsätzlich gibt es folgende Anforderungen an ein Elastomer welches als DEA eingesetzt wird:
Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Durchschlagfestigkeit liegt in der mechanischen Vordehnung der Folie. Weitere Gründe für die Vordehnung des Elastomers sind folgende:
Die Elastomere zeigen ein visko-hyperlastisches Verhalten. Für die Berechnung solcher Aktoren werden Modelle benötigt, welche sowohl Gummielastizität als auch Viskoelastizität beschreiben. Für die Elektrode werden in der Forschung verschiedene Materialien (z.B. Graphitpulver, Silikonöl-Graphitgemische, Goldelektroden, etc) verwendet. Die Elektrode sollte gut elektrisch leitend und nachgiebig sein. Die Nachgiebigkeit der Elektrode ist wichtig, damit das Elastomer bei der Ausdehnung von der Elektrode nicht behindert wird.
Konfigurationen und AnwendungenEs gibt verschiedene Konfigurationen und Anwendungen für dielektrische Elastomere:
Kategorien: Kunststoff | Makromolekulare Chemie |
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Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Dielektrische_Elastomere aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. |