连续纤维增强消除单轴致动器颈缩效应与长宽比依赖性研究

本文创新性地开发了一种碳纤维增强介电弹性体致动器(DEA)，通过连续分布的刚性碳纤维嵌入软基质材料形成复合层，实现了致动器性能与长宽比(AR)的完全解耦。该技术使DEA在长度方向上呈现均匀的纯剪切应变状态，初始电致动力(FEA)提升30%的同时仍保持8%的驱动应变，长期稳定性测试显示10,000次循环后仅衰减15%。这项突破为仿生肌肉的细长致动器设计提供了标准化解决方案。

　　

引言

介电弹性体致动器(DEA)凭借大应变、静音运行和本征传感能力，在软体机器人和人工肌肉领域备受关注。传统单轴DEA存在颈缩效应导致应变分布不均，且性能严重依赖长宽比(AR=L₀/W₀)。现有纤维增强方案虽能抑制颈缩，但离散分布的纤维会造成局部应变集中(最高达65%)，并带来界面失效风险。

材料创新

研究团队开发了革命性的连续碳纤维增强技术：将单向非织造碳纤维布(ZOLTEK? PX35)浸润低粘度硅胶(SF00)，通过刮刀工艺形成厚度100μm的复合层。该结构在宽度方向提供200:1的刚度比，使λ₂≈1，强制实现纯剪切应变状态(λ₁λ₃=1)。数字图像相关(DIC)分析显示，50%应变时横向应变差异<9%，远优于传统PET纤维增强的30%波动。

性能突破

电致动力测试揭示关键优势：

1. 1.

   初始F_EA提升至1.2N，且与AR(0.5-2)无关

2. 2.

   各向异性因子κ达0.8，是传统DEA的2倍

3. 3.

   在预拉伸λ_pre=1.33时实现7.6%驱动应变

   力学测试表明复合层仅使刚度增加30%，而多活性层设计可进一步降低此影响。

稳定性验证

10,000次电循环(4kV,1Hz)后电致动力保持85%，5,000次机械循环(50%应变)仅产生6.5%蠕变。界面显微观察未发现分层，证明碳纤维-硅胶界面具有优异耐久性。

应用前景

该技术解决了DEA设计中的三大难题：

1. 1.

   消除AR依赖性简化建模过程

2. 2.

   均匀应变场实现可靠自传感

3. 3.

   标准化工艺适合批量生产

   未来通过玻璃纤维替代可优化界面，而将纤维嵌入介电层可能实现机电性能协同调控。这项研究为开发高性能人工肌肉系统提供了全新范式。