纤维材料对纤维增强介电弹性体执行器驱动与传感性能的影响

《Journal of Intelligent Material Systems and Structures》：Influence of fiber material on actuation and sensing in fiber-reinforced DEAs

　　

摘要

介电弹性体执行器（DEA）因其响应速度快、变形能力强和设计灵活等优点，在软体机器人领域得到了广泛研究。典型的DEA由预拉伸的弹性体薄膜和位于其两侧的柔性电极组成；施加高电压会产生Maxwell应力，从而使弹性体发生形变。条形执行器是一种常见的DEA设计，因其制造简单且几何构型灵活而被广泛采用。当与被动纤维增强层结合时，这类执行器表现出机械各向异性，形成纤维增强介电弹性体执行器（FRDEA）。FRDEA能够实现单轴变形、简化控制，并产生与执行器长宽比无关的驱动力。尽管已有研究主要集中于采用导电硅橡胶-碳纤维复合材料增强的FRDEA，但非导电增强纤维的影响尚未得到充分研究。本研究探讨了不同纤维材料对FRDEA机械性能和机电行为的影响，重点关注纤维增强塑料中常用的玻璃纤维和玄武岩纤维。纤维材料的变化会改变纤维-基体界面粘附性，进而影响机械行为。这些效应通过应变测量和数字图像相关技术进行评估。由于所选纤维为非导电材料，由此产生的机电应变行为不同于先前研究的FRDEA，本文除机电驱动性能外，还对此进行了详细探讨。

**纤维材料对纤维增强介电弹性体执行器驱动与传感性能的影响——论文解读**

**一、研究背景与问题提出**

机器人技术在制造业、自动化和辅助应用中长期扮演重要角色，在人口老龄化和劳动人口减少的压力下，其重要性日益凸显。传统机器人如六轴工业机器人虽推动了工厂自动化，但在非结构化环境和人类近距离交互场景中，因其高功率运动和刚性结构带来的安全隐患而实用性受限。因此，研究人员长期致力于将柔性材料与软体传感器和执行器结合，开发仿生软体机器人。

介电弹性体执行器（Dielectric Elastomer Actuator, DEA）是广受研究的软体执行器之一，其结构由两层柔性电极夹一层软介电弹性体构成，施加电压后因Maxwell应力和库仑力产生形变。DEA具有大变形、高能量密度、快速响应以及轻量紧凑等优势，且该电容式结构赋予其固有的电容和电阻自传感能力。然而，DEA通常表现为各向同性变形，条形执行器在受拉时会产生侧向颈缩现象，导致应变状态不均匀，降低了电活性力和应变的输出效率。

为解决颈缩问题，研究者探索了多种方案，包括改进电极结构以实现单轴静电压力、采用具有各向异性刚度的替代聚合物，以及更直接地在DEA中添加增强层。研究表明，阻断侧向形变可使条形执行器的应变提高达75%。在增强方案中，连续纤维增强被认为能有效消除颈缩效应及其对执行器长宽比的依赖。Koenigsdorff等人采用单向碳纤维织物铺设于执行器一侧并浸润硅橡胶，成功实现了各向异性增强。然而，碳纤维虽具有直径小、密度低、杨氏模量高和导电性好等优点，也存在小弯曲半径下易断裂、无法用CO?激光切割、固有导电性可能导致电子设备短路、限制增强结构几何设计，并会改变邻近电极机电行为等问题。尤为重要的是，碳纤维增强引发了传感行为的反转现象：电阻在应变释放而非施加时达到最大增幅。因此，探索非导电的替代纤维材料具有重要意义。玻璃纤维和玄武岩纤维同为熔纺非导电纤维，是碳纤维在低机械需求应用中的常见廉价替代品，具有隔热和阻燃特性。本研究旨在采用玻璃纤维和玄武岩纤维制造连续纤维增强DEA，系统比较其与碳纤维增强DEA的机械性能和机电行为。

**二、研究设计与关键技术方法**

研究人员以100 μm Elastosil? 2030硅橡胶薄膜为介电层，在单侧施加由Ecoflex 00-20与导电颗粒混合的电极。为进行机械表征和驱动测试，电极采用含6.5 wt%炭黑的Ecoflex 00-20；为进行传感测试，采用含1.5 wt%碳纳米管（CNT）的Ecoflex 00-20电极以保证较高电导率。纤维增强层由Ecoflex 00-30浸润纤维制备。碳纤维采用ZOLTEK? PX35 50k单向织物，玻璃纤维（640 tex）和玄武岩纤维（2400 tex）粗纱则手工铺设在PET片上制成单向纤维层。

主要技术方法包括：1）利用万能力学试验机对样品进行循环拉伸试验，研究不同纤维增强DEA的全局力学行为；2）采用数字图像相关（Digital Image Correlation, DIC）技术分析执行器的局部应变分布和各向异性程度；3）通过扫描电子显微镜（SEM）观察纤维层截面，评估纤维分散性、基体界面接触和纤维取向；4）采用Keithley DMM6500数字万用表测量电极在循环拉伸过程中的电阻变化，表征传感性能；5）对执行器施加5 kV驱动电压，测量主动应变；6）基于三参数Yeoh超弹性材料模型建立解析模型，理论评估纤维-基体层对执行器整体刚度及电活性性能的影响。

**三、研究结果**

**（一）机械性能**

SEM图像显示，玄武岩纤维增强样品表面出现聚集现象，纤维-基体界面接触不良，并存有短纤维断裂，表明制造过程中材料发生退化。碳纤维样品具有更好的基体接触、分散性和更均匀的层状结构。玻璃纤维则呈现一致性分组，反映制造过程中未进行粗纱分隔。厚度测量显示，碳纤维增强样品厚度最小且标准偏差最低，玻璃和玄武岩纤维样品显著更厚且分布更宽，玄武岩样品厚度最大。纤维-基体层厚度分别为：碳纤维279 ± 27 μm、玄武岩纤维747 ± 89 μm、玻璃纤维700 ± 66 μm。

应力-应变测试显示，玻璃和玄武岩纤维增强DEA的刚度均高于碳纤维增强DEA，且表现出更高的迟滞，尤其在拉伸至λ=2时。DIC测试表明，所有样品在横向的应变均较低，边缘存在轻微负应变，这主要归因于不对称增强导致的厚度方向轻微弯曲而非颈缩。纵向应变分布方面，碳纤维样品显示与单向织物花纹相关的离散高、低应变区域；玄武岩纤维样品应变分布更不均匀，可能源于粗纱分离过程留下的纤维断裂和取向紊乱；玻璃纤维样品的应变分布相对更均匀。

**（二）机电测试**

在含有炭黑电极的样品中，碳纤维增强样品因碳纤维的导电性而可测量电阻，而玻璃和玄武岩纤维增强样品则无法建立电接触。改用CNT基电极后，玻璃和碳纤维增强样品表现出相似的基础电阻率和应变响应信号。玄武岩样品的基础电阻率结果变化较大，部分样品表现异常。

碳纤维增强样品的电阻-应变响应呈现反转行为：在λ=1.5拉伸峰值处电阻较低，而在完全释放回到λ=1时电阻出现显著更高的峰值。这种行为在样品间及多次循环中具有高度一致性，但首轮循环中两个峰值高度较为接近。玻璃纤维增强样品的电阻随应变较线性地变化，在最大应变处出现单一个高峰，峰高在多次循环中保持稳定，噪声水平和漂移均显著低于碳纤维样品。值得注意的是，循环间的最低电阻并非出现在完全释放时，而是稍后才出现，部分样品在完全释放时还出现小的次级峰（肩现象），这归因于材料的粘弹性和导电网络的横向收缩。玄武岩纤维增强样品总体上呈现与玻璃纤维相似的特征，但在行为和信号质量方面的一致性较差。

漂移与灵敏度因子方面，碳纤维样品表现出最大的负向漂移（?21.4 kΩ），玻璃纤维样品漂移最小（?0.2 kΩ），玄武岩样品呈正向漂移（11.1 kΩ）。碳纤维样品的两个灵敏度因子k?（1.76）和k?（0.58）差异最大，受Mullins效应影响最显著。

**（三）驱动测试**

在5 kV驱动电压下，碳纤维增强样品表现出最高的主动应变（1.72%），玻璃和玄武岩纤维增强样品的主动应变较低，分别为0.68%和0.34%，部分归因于其较高的刚度。玄武岩纤维增强样品的更低应变可能还与接触不良有关，因为玄武岩纤维与硅橡胶基体粘附更强，使纤维层去除和电极接触变得困难，增加了接触电阻，延长了充电时间，从而可能未完全达到潜在应变。更关键的是，DIC测试表明玻璃和玄武岩纤维增强执行器的应变分布更不均匀，驱动能量可能更多地用于释放局部张力而非产生有效的主动应变。理论计算的最大主动应变均高于实验值，且实验值与理论值之间的偏差与应变场的均匀性相关。

**四、讨论与结论**

在机械性能方面，厚度差异主要源于纤维材料的线密度和面密度，玻璃和玄武岩纤维的浸润需要更多硅橡胶，这与纤维直径大导致的润湿面积增加及浸润性差有关。碳纤维层体积分数约21%，而玻璃和玄武岩仅分别为3.4%和4.5%。理论分析表明，单凭增加的厚度和硅橡胶量无法解释实验测得的额外刚度增加，纤维取向紊乱（misalignment）是导致刚度显著增加的重要原因。

机电性能方面，碳纤维的存在显著影响邻近电极的机电行为，反转的应变响应证实了碳纤维与电极之间的电接触是导致这一现象的原因：应变增加时纤维间接触点减少，导致电阻降低；释放时应变恢复使接触点增多，电阻升高。非导电纤维增强样品则表现为各向同性电极的常规响应特征。从信号质量角度，非导电纤维增强样品具有更好的信噪比、更低的漂移和更稳定的灵敏度因子，表明在利用邻近电极作为应变传感器时，非导电纤维更适合用于连续纤维增强层。

研究结论表明，纤维材料和纤维层的制备方式强烈影响FRDEA的机械和机电行为。厚度和均匀性差异主要源于纤维直径、体积、材料特性和处理方式，其中玄武岩纤维因粗纱分隔和长丝断裂而尤为不均匀。纤维-硅胶层厚度的增加导致执行器整体刚度上升，取向紊乱的纤维进一步增加刚度并造成不均匀的应变分布。研究建议尽可能避免手工制造纤维层。未来研究应探索更均匀、更薄的纤维层制备方法，考察纤维-基体界面粘附的机械效应，研究对称DEA结构中纤维层对边缘弯曲的改善，并评估长期循环应变下灵敏度和漂移的稳定性。此外，多层传感器系统的开发——综合利用玻璃纤维层邻近电极和碳纤维层邻近电极各自的优势——有望互补两种系统的不足，提高应变测量的精度。

研究受德国研究基金会（DFG, 合同号380321452/GRK 2430）和Werner-Siemens-Stiftung资助，并获莱布尼茨聚合物研究所（IPF）支持。