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介电弹性体中的机电滞回和共存态

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人们正在开发活性聚合物来模拟生命的一个显著特征:对刺激做出反应的运动。大变形会导致有趣的现象;例如,最近的实验表明,电压可以使介电弹性体的一层变形为两种共存的状态,一种是扁平的,另一种是褶皱的。这一观察结果,以及在不同刺激下分析大变形的需要,使我们重新审视了电力学理论。在他的经典著作中,麦克斯韦证明了真空中导体之间的电力可以用真空中的应力场来计算。麦克斯韦应力后来被应用于可变形介质中。这种做法的理论基础并不牢固。费曼指出,区分材料内部的电力和机械力是一个尚未解决的问题,可能是不必要的。最近,电力学理论被重新表述,绕过了麦克斯韦应力的概念。本文进一步发展了机电失稳理论。 We show that the free energy of a typical dielectric elastomer is non-convex, such that homogenous deformation in a layer can become unstable and give way to coexistent states of two thicknesses. A region of the thin state has a large area, and wrinkles when constrained by nearby regions of the thick state. If the voltage is controlled to ramp, the elastomer may exhibit hysteresis, much like a ferroelectric. If the charge is controlled to ramp, the two states may coexist at a constant voltage, while the new state may grow at the expense of the old. The net flow of charge associated with the transition can be tuned, along with other characteristics of the coexistent states, by the degree of crosslink and the state of stress.

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评论

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这是一项有趣的工作。我读得很快,试图理解它的基本思想和方法。然而,到最后,我发现自己有点困惑。如果我理解正确的话,本文中给出的大部分分析对于拉伸和电场都是一维的。由此分析得到的两种状态(如图2所示)似乎是两种具有不同拉伸或厚度的状态。然而,在摘要段中,共存状态被称为平态和皱态。这是一个影响深远的结论吗?正如作者所解释的那样,皱纹并没有明确地包括在目前的研究中。厚态和薄态的共存可能对应于一个褶皱态,当然这至少需要二维分析。

RH

魏红的照片

谢谢你的评论,芮,

由于篇幅的限制,而作为论文的重点
目前的论文是关于双稳态的,我们没有详细说明
皱纹的形成。我们脑海中的皱纹过程是第一个
具有不稳定性的均质压缩,导致
一些局部的“塌陷”区域,厚度很小,但
非常大的横向拉伸;然后是横向拉伸的不匹配
在周围的厚态和薄态之间引起皱纹。

皱纹的形成可能与我们所有人的情况相似
以前研究过(柔性基材上的刚性膜),区别在于
这里的约束来自于侧面而不是基底。当然
皱纹的定量预测需要完整的2d,或者实际上是3d
分析(解释约束),它本身可能是
另一个有趣的话题。

黄睿的照片

在我的论文中电致表面失稳,通过线性摄动分析来预测起皱的临界条件,该方法适用于薄态和厚态。临界条件是通过结合电压、介质厚度、刚度和介电常数的无因次量得到的。事实上,在相同的电压下,较薄的区域可能变得不稳定(因此起皱),而较厚的区域则保持稳定(因此平坦)。

RH

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嗨,瑞,

这里的情况可能有点不同。

在相同电压下,厚区和薄区都可能是稳定的。薄区产生褶皱的原因是薄区在受到周围厚区约束的同时,向外侧大量扩张。更像是受约束的杆在热膨胀下的屈曲。

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这篇论文的详细版本已经被Physical Review b接受,请看附件二。

XH

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辛迪加

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