劉晨,李卓遠(yuǎn),陳花玲

(西安交通大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動國家重點(diǎn)試驗室,710049,西安)

變剛度材料和變剛度技術(shù)可應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)的主動吸振以及房屋、橋梁等建筑的抗震等,不論是在科學(xué)研究還是在工程應(yīng)用中,都有著舉足輕重的作用[1-2]。

目前,可應(yīng)用于變剛度的智能材料類型主要有形狀記憶合金,壓電陶瓷等[3-4]。其中,形狀記憶合金是通過相變達(dá)到變剛度的效果,因而其剛度變化不連續(xù),且響應(yīng)速度較慢[5-6];壓電陶瓷可實現(xiàn)剛度連續(xù)變化,響應(yīng)速度快,但其剛度變化范圍較小,且難以適應(yīng)各種曲面結(jié)構(gòu)剛度的變化[7]。因此,單純通過某一材料達(dá)到令人滿意的變剛度效果比較困難。

實現(xiàn)變剛度的技術(shù)有電流變技術(shù)、磁流變技術(shù)、氣壓調(diào)節(jié)技術(shù)、變剛度彈簧等[8-9]。其中,電流變技術(shù)是利用電流變液的流變性質(zhì)在電場中會發(fā)生快速且可逆的調(diào)節(jié)作用而改變剛度的[10-11],但在實際應(yīng)用中,電流變液的沉降性及再分散性等問題制約了其廣泛應(yīng)用。磁流變技術(shù)包括了磁流變液及磁流變彈性體兩種類型。磁流變液與電流變液變剛度機(jī)理相似,所不同的是利用磁場而不是電場調(diào)節(jié)其剛度。磁流變彈性體作為一種新型智能材料,應(yīng)用于吸振器時剛度可通過外加磁場控制[12-13],可克服磁流變液的沉降性,但磁流變彈性體的磁流變效應(yīng)尚不夠大[14]。氣壓調(diào)節(jié)變剛度技術(shù)在仿生領(lǐng)域有著重要影響[15-16],然而氣壓調(diào)節(jié)需要?dú)獗?、氣路元件等較為笨重的設(shè)備,對一些要求設(shè)備輕便的場合不適用。變剛度彈簧屬于傳統(tǒng)變剛度技術(shù),穩(wěn)定可靠,但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,形狀固定,適用對象有限。

如前所述,變剛度結(jié)構(gòu)常應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的減振器中。為了提高減振器的性能,我們既希望其具有結(jié)構(gòu)簡單、便于控制的變剛度特性,也希望具有一定柔性,從而可適應(yīng)于不同結(jié)構(gòu)或形狀的減振器的剛度調(diào)節(jié)。顯然,已有的剛度調(diào)節(jié)技術(shù)難以滿足上述要求。

近年來,靜電吸附技術(shù)以不破壞被吸物品、吸力可控等優(yōu)勢而發(fā)展迅速。目前的靜電吸附技術(shù)主要用于吸附物品,如應(yīng)用于機(jī)器人的抓手時可以吸附、抓取外形不規(guī)則的物體[17],應(yīng)用于爬墻機(jī)器人的足體時可攀爬不同角度的豎直表面[18]。

鑒于現(xiàn)有變剛度技術(shù)存在的局限性,本文提出了一種新型柔性靜電吸附變剛度結(jié)構(gòu),由于靜電吸附原理是利用電直接調(diào)節(jié),因此結(jié)構(gòu)簡單、變剛度控制方便,且因為整個結(jié)構(gòu)都為柔性材料所制,因此可以在任何形狀下完成變剛度的要求。

1 柔性變剛度結(jié)構(gòu)原理及設(shè)計

1.1 靜電吸附原理

靜電吸附基本原理是利用金屬電極與被吸物件表面形成的電容系統(tǒng)實現(xiàn)的[19]。如圖1所示,金屬電極正負(fù)交錯排列構(gòu)成靜電吸附層,電極寬度為a,極間距離為d1,正極與負(fù)極之間形成電場,分為主電場和邊緣電場。主電場線只穿過靜電吸附層內(nèi)部,而邊緣電場將會穿過靜電吸附層周圍的空間,并會引起被吸物件表面的極化,使物件表面聚集與附近電極極性相反的電荷,這些電荷的聚集將使物件與靜電吸附層的電極之間產(chǎn)生電場力,進(jìn)而達(dá)到電極吸引物件的效果[20]。

圖1 靜電吸附原理圖

電極與被吸物件表面的相對介電常數(shù)為

εr=k1εr1+k2εr2+k3εr3

(1)

式中:εr1為電極封裝層相對介電常數(shù);εr2為空氣相對介電常數(shù);εr3為被吸物件表面相對介電常數(shù)。

靜電吸附力計算公式為[21]

(2)

式中:d為電極與被吸物件表面的距離;a為電極寬度;l為電極長度;A為電極的有效面積;ε0為真空介電常數(shù);U為所加電壓。

由式(2)可知,靜電吸附力F與所加電壓U的二次方成正比關(guān)系,與被吸物件材料的相對介電常數(shù)εr成正比。此外,a、A、d以及d1等幾何參數(shù)均會影響靜電吸附力大小,其影響關(guān)系由式(2)可獲得。

1.2 柔性變剛度結(jié)構(gòu)的設(shè)計

根據(jù)靜電吸附原理,在本文設(shè)計中,為了通電后產(chǎn)生較大的靜電吸力,電極采用密集排布的梳齒交叉電極以增大有效吸附面積。為了實現(xiàn)柔性變剛度結(jié)構(gòu),本文的靜電吸附層的電極采用模量較小的硅橡膠混合材料制成,用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬電極。靜電吸附層的其他組成部分亦采用硅橡膠混合材料制作而成,使其整體具有較小的模量,從而可以實現(xiàn)拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲等動作,使裝置可以滿足在不同形態(tài)下的靜電吸附工作,這對于各種形態(tài)下的變剛度要求具有重要價值。為此,本文設(shè)計的柔性變剛度結(jié)構(gòu)如圖2所示,由靜電吸附層和中間夾層構(gòu)成。

圖2 變剛度結(jié)構(gòu)示意圖

(a)結(jié)構(gòu)通電前狀態(tài)

(b)結(jié)構(gòu)通電后狀態(tài)

該結(jié)構(gòu)工作原理如圖3所示,即未施加電壓時,靜電吸附層與中間夾層并沒有緊密貼合,中間夾層材料內(nèi)部的正負(fù)電荷隨機(jī)分散排布(如圖3a所示)。若存在外界拉力F作用于靜電吸附層的兩端時,靜電吸附層可以自由變形,此時該結(jié)構(gòu)剛度較低;當(dāng)對靜電吸附層施加電壓后,中間夾層被極化,正負(fù)電荷有序排列,靜電吸附層吸附并壓緊中間夾層,產(chǎn)生靜電吸附力P(如圖3b所示)。當(dāng)外界拉力F作用于靜電吸附層的兩端時,由于產(chǎn)生靜電吸附力,增大了靜電吸附層與中間夾層間的摩擦力f,靜電吸附層的變形將受到較大的限制,相當(dāng)于結(jié)構(gòu)整體剛度得到了提高。

2 靜電吸附結(jié)構(gòu)制作工藝

圖4a是本文設(shè)計的靜電吸附層結(jié)構(gòu)示意圖,圖4b是實物圖,由基底、電極、封膜3部分構(gòu)成。其中,基底材料選用Ecoflex 00-20型硅橡膠與鈦酸鋇納米顆粒的混合物,電極材料選用導(dǎo)電碳膏與硅橡膠的混合物,封膜材料選用186型硅橡膠。需要強(qiáng)調(diào)的是,由于靜電吸附結(jié)構(gòu)利用的是電場效應(yīng)而非電流效應(yīng),因此盡管由導(dǎo)電碳膏和硅橡膠混合物制備而成的電極材料電阻率比傳統(tǒng)的金屬材料電極大,但并不影響靜電吸附結(jié)構(gòu)的正常工作。

(a)靜電吸附層結(jié)構(gòu)示意圖

(b)靜電吸附層實物圖

制備柔性靜電吸附層的工藝為:首先使用脫泡攪拌機(jī)將基底原材料混合均勻,然后使用流延機(jī)在聚酯薄膜(PET)上流延一層基底;待其加熱固化后,將事先用激光切割機(jī)切好的電極層掩膜版黏附在基底上,再使用流延機(jī)在基底上流延一層電極材料;流延完成后立刻將掩膜版取下并對電極材料加熱至其固化;接著在電極層上流延一層封膜,并加熱使其固化;最后利用刀片或激光切割機(jī)將靜電吸附層從PET薄膜上取下。

通過控制流延速度等參數(shù),可對靜電吸附層3個組成部分的厚度進(jìn)行定量控制,本文將基底層厚度控制在200～400 μm,電極層厚度控制在100～200 μm,封膜層厚度控制在200～400 μm。

將制作好的兩個靜電吸附層與夾層按圖2方式排布,做成三明治結(jié)構(gòu),并將靜電吸附層的四周用硅橡膠粘合形成一個整體。

3 測試裝置及測試方法

3.1 剛度調(diào)節(jié)性能測試方法

圖5所示為剛度調(diào)節(jié)測試原理示意圖。將結(jié)構(gòu)整體夾持在拉力儀上進(jìn)行拉伸試驗,對結(jié)構(gòu)施加電壓,觀察其剛度變化。這里,將結(jié)構(gòu)的等效剛度定義為拉伸剛度

k=P/δ

(3)

式中:P為拉力,N;δ為變形量,m。

剛度變化率β定義為

β=Δk/k0

(4)

式中:k0為受載且不施加電壓條件下的結(jié)構(gòu)剛度;Δk為施加電壓后與未施加電壓時剛度之差。

圖5 剛度調(diào)節(jié)測試原理示意圖

3.2 靜電吸附力測試方法

圖6所示為靜電吸附力測試原理示意圖。將銅片固定在載物臺1的下表面,靜電吸附層固定在載物臺2的上表面,調(diào)整載物臺1的高度,使得銅片下表面與靜電吸附層上表面恰好接觸。對靜電吸附層施加一直流電壓,使其產(chǎn)生靜電吸附力并吸附銅片,緩慢抬升載物臺1,直至靜電吸附層與銅片彼此脫離,讀出最大拉力,此拉力即為在該電壓下靜電吸附層對銅片產(chǎn)生的靜電吸附力。

圖6 靜電吸附力測試原理示意圖

4 測試結(jié)果及分析

為了探索影響剛度調(diào)節(jié)效果的各種因素,本文做了5組不同的對比試驗,探究了不同靜電吸附層加電層數(shù)、不同夾層材料、不同夾層厚度、不同電壓、不同封膜厚度等各種因素對結(jié)構(gòu)工作效果的影響。另外,通過靜電吸附力試驗探究了電壓、靜電吸附力、剛度變化率3者之間的對應(yīng)關(guān)系。

4.1 單層與雙層靜電吸附層加電對比試驗及結(jié)果

變剛度結(jié)構(gòu)靜電吸附層1和2同時加電的變剛度效果如圖7a所示,只有靜電吸附層1加電的變剛度效果見圖7b。

(a)雙層加電原理

(b)單層加電原理

單層與雙層靜電吸附層加電對比試驗結(jié)果如圖8所示。由圖8可見:電壓加至4.0 kV時,單層加電的剛度幾乎沒有明顯變化,而同樣電壓下雙層加電的剛度變化率β已經(jīng)超過40%;電壓加至5 kV時,單層加電的剛度變化率β在10%左右,雙層加電的剛度變化率β達(dá)到65%。試驗數(shù)據(jù)表明雙層加電的工作效果優(yōu)于單層加電。

圖8 單層、雙層靜電吸附層加電試驗結(jié)果

分析上述試驗結(jié)果的原因可知:單層加電僅有靜電吸附層1吸附中間夾層,此時的靜電吸附層2與中間夾層之間沒有吸附力,二者彼此分離,因此摩擦力只存在于靜電吸附層1和中間夾層之間;雙層加電時,靜電吸附層1與靜電吸附層2同時吸附中間夾層,3者緊密貼合,因此靜電吸附層1、2與中間夾層之間都存在摩擦力。

所以,施加同樣的電壓時,雙吸附層結(jié)構(gòu)的剛度變化會比單吸附層結(jié)構(gòu)明顯。另外,圖8顯示電壓加至4.5 kV之前,單吸附層結(jié)構(gòu)剛度幾乎無變化,原因是由于電壓較低,且僅有一層吸附層吸附中間夾層,摩擦力相對較小,此時施加拉力時,容易導(dǎo)致靜電吸附層與中間夾層脫離,所以結(jié)構(gòu)剛度變化不明顯。

4.2 夾層材料對比試驗及結(jié)果

為了探究夾層材料對結(jié)構(gòu)變剛度的影響,我們分別針對厚度近似為50 μm的銅片和A4紙的夾層材料做了對比試驗,變剛度結(jié)構(gòu)采用圖7b所示結(jié)構(gòu),試驗結(jié)果如圖9所示。由圖9可見,同樣厚度條件下,結(jié)構(gòu)夾層使用銅片比使用A4紙剛度變化明顯,電壓在5 kV時,夾層為A4紙的結(jié)構(gòu)剛度變化率約為40%,而夾層為銅片的結(jié)構(gòu)剛度變化率達(dá)到67%左右。

圖9 不同夾層材料試驗結(jié)果

當(dāng)外部施加電壓條件相同時,材料越易被極化,內(nèi)部因極化的正負(fù)電荷分布就越集中,產(chǎn)生的靜電吸附力越大,靜電吸附層與中間夾層之間的摩擦力就越大,結(jié)構(gòu)變剛度效果越明顯。

4.3 夾層厚度對比試驗及結(jié)果

為了觀察不同厚度的夾層對結(jié)構(gòu)變剛度效果的影響,對不同厚度的銅片做了對比試驗,結(jié)果如圖10所示?？梢园l(fā)現(xiàn),同樣的電壓條件下,夾層為110 μm銅片的結(jié)構(gòu)與夾層為50 μm銅片的結(jié)構(gòu)剛度變化效果基本一致。

圖10 不同厚度銅片試驗結(jié)果的比較

由式(2)可知,同樣的夾層材料,極化效果相同,所以同樣電壓條件下,產(chǎn)生的靜電吸附力相同,夾層與吸附層之間摩擦力一樣,因此厚度并不會改變吸附效果,也就不會引起結(jié)構(gòu)剛度變化的不同。

4.4 電壓對比試驗及結(jié)果

通過對結(jié)構(gòu)夾層的探究與試驗,發(fā)現(xiàn)夾層材料、厚度等因素都會影響結(jié)構(gòu)的變剛度效果,除此之外,由式(2)可以看出,在影響靜電吸附力的因素中,電壓與靜電吸附力成正相關(guān)。因此,本小節(jié)在結(jié)構(gòu)負(fù)載不變的情況下,研究結(jié)構(gòu)剛度與施加電壓之間的關(guān)系,結(jié)果如圖11所示(圖中為5次試驗的結(jié)果)。由試驗結(jié)果可以看出,在電壓從0增大到5.5 kV的過程中,該結(jié)構(gòu)的剛度逐漸增大,且剛度變化率隨電壓的增加近似線性增大。

圖11 電壓升高及降低過程中剛度變化的試驗結(jié)果

圖11還給出了電壓降低過程(從5.5 kV減小到0)中結(jié)構(gòu)剛度的變化情況。從圖11可以看出,電壓升高與降低過程中剛度變化曲線基本吻合,說明該結(jié)構(gòu)不存在遲滯現(xiàn)象。

4.5 封膜對比試驗及結(jié)果

由式(2)可知,靜電吸附力除了受電壓的影響外,也受電極與被吸物件表面的距離d的影響,在本文的結(jié)構(gòu)設(shè)計中,它就是靜電吸附層封膜的厚度。理論上d(封膜厚度)越小,靜電吸附力越大,變剛度效果會更好。為了驗證這一推論,本文對不同厚度的封膜結(jié)構(gòu),做了兩組對比試驗,一組結(jié)構(gòu)的封膜厚度為370 μm,另外一組為240 μm,試驗結(jié)果如圖12所示。由圖12a可知,隨著電壓的逐漸增加,封膜厚度為240 μm的結(jié)構(gòu)的變剛度效果較370 μm的結(jié)構(gòu)明顯;由圖12b可知,因封膜厚度會影響結(jié)構(gòu)本身的剛度,所以封膜厚度為240 μm的結(jié)構(gòu)與封膜厚度為370 μm的結(jié)構(gòu)相比,前者的整體剛度小于后者。由此可得到結(jié)論:當(dāng)施加相同電壓時,封膜厚度越小,靜電吸附力越大,變剛度效果越明顯;此外,封膜厚度越小,結(jié)構(gòu)整體的剛度越小。所以,尋求一種自身剛度受厚度影響小的封膜材料對后期結(jié)構(gòu)優(yōu)化有重要意義。

(a)剛度變化率隨電壓變化

(b)剛度隨電壓變化

4.6 靜電吸附力試驗及結(jié)果

為了探究電壓U、靜電吸附力F、剛度變化率β3者之間的對應(yīng)關(guān)系,試驗中將電壓由0增大至5.5 kV,測得對應(yīng)電壓下的靜電吸附力,并對照剛度變化率,結(jié)果如圖13所示。由圖可見:靜電吸附力與電壓大致呈二次方關(guān)系,符合式(2)的描述,當(dāng)電壓達(dá)到5.5 kV時,對應(yīng)的靜電吸附力為100 mN;結(jié)構(gòu)的剛度變化率與電壓基本為正相關(guān)關(guān)系,但并非二次方關(guān)系,在電壓較小或較大時,結(jié)構(gòu)的剛度變化率隨電壓增大而變化很快,當(dāng)電壓在2～4.5 kV之間時變化緩慢。

圖13 靜電吸附力試驗結(jié)果

5 結(jié) 論

本文針對現(xiàn)有變剛度技術(shù)中剛度控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜或剛度變化率低,且無法適應(yīng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的難題,提出了一種新型柔性靜電吸附變剛度結(jié)構(gòu)。研究了影響結(jié)構(gòu)變剛度效果的各種因素發(fā)現(xiàn),采取雙層靜電吸附層、易被極化夾層材料以及較小封膜厚度等措施可以增加結(jié)構(gòu)的剛度變化效果。這些試驗結(jié)果對于實際變剛度結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

該設(shè)計可以滿足較大的剛度變化范圍,且剛度變化由電壓調(diào)節(jié),結(jié)構(gòu)簡單,操作簡便,工作穩(wěn)定性好,應(yīng)用前景廣闊。