电响应聚合物链机电耦合的统计力学分析

这是一篇文章的预印本，将出现在软物质(https://doi.org/10.1039/D0SM00845A）

电响应聚合物链机电耦合的统计力学分析

Matthew Grasinger和Kaushik Dayal

卡耐基梅隆大学

摘要

结合变形和静电的聚合物材料在软传感器和执行器中具有潜在的应用潜力，其潜在应用范围包括机器人、生物医学、能源、航空航天和汽车技术。与几十年来使用统计力学方法研究聚合物的力学相反，变形和电场作用下的耦合响应在很大程度上仅在连续尺度上进行了现象学建模。在这项工作中，我们使用统计力学研究了电响应聚合物链的耦合变形和电响应的物理特性。我们从单体静电偶极子对电场响应的简单各向异性模型开始，并利用静电场能量和感应偶极子场能量之间的能量尺度分离，将非局部和无限维的统计平均简化为更简单的局部有限维平均。在这种简化设置中，我们使用最大项近似推导出最可能的单体取向密度方程，并使用该近似推导出链自由能。T对这些方程进行了数值研究，结果为机电耦合弹性体链的物理特性提供了见解。在小的电能相对于热能的极限下，也发展了封闭形式的近似;作用在链条上的机械拉力极限小;并对一般链条件进行渐近匹配。