Badanie własności
elektromechanicznych polimeru
elektroaktywnego typu
dielektrycznego PolyPower
Aleksander Błachut MBM-IPS
Praca inżynierska pod kierunkiem
prof. Jerzego Kalety oraz dr Daniela Lewandowskiego
Plan prezentacji
1. Motywacja do podjęcia badań
2. Polimery elektroaktywne typu dielektrycznego -
wprowadzenie teoretyczne
3. Cele i zakres pracy
4. PolyPower  prezentacja zakupionego materiału
5. Badania mikroskopowe
6. Preparatyka materiału
7. Wyznaczanie charakterystyka pojemnościowej
8. Polimer elektroaktywny w roli elementu wykonawczego
Motywacja do podjęcia badań
" Polimery elektroaktywne typu dielektrycznego są grupą materiałów
SMART, która jest stosunkowo nowa i nie powstała do niej jeszcze
szeroka literatura.
" Polimery elektroaktywne typu dielektrycznego może mieć szeroki zakres
zastosowania w wielu dziedzinach techniki, można go wykorzystywać do
budowy :
1. elementów wykonawczych,
2. czujników przemieszczenia,
3. generatorów napięcia.
" Badania prowadzone nad polimerem elektroaktywnym są interesujące
ze względu na multidyscyplinarny charakter, połączenie wiedzy z zakresu
materiałoznawstwa, elektroniki, technik pomiarowych, mechaniki drgań i
innych.
Zastosowanie polimeru elektroaktywnego
typu dielektrycznego (DEAP)
Element wykonawczy:
(przyłożenie napięcia elektrycznego wywołuje zmianę wymiarów i
własności mechanicznych  elektrostrykcyjna)
" Sztuczne mięśnie
" Inteligentne soczewki
(soczewka o zmiennej ogniskowej)
" Active Vibration Control (AVC)
Czujnik przemieszczenia:
(zmiana wymiarów próbki zmienia pojemność elektryczną według
stałej charakterystyki pojemnościowej)
" Pomiar odkształcenia/przemieszczenia, np. w budownictwie
Harvester:
(efekt podbijana napięcia elektrycznego przy zmianie pojemności próbki)
" Zasilanie urządzeń przenośnych
Fizyczne podstawy działania polimeru
elektroaktywnego jako czujnika przemieszczenia
Polimer elektroaktywny z punktu widzenia elektronicznego jest
kondensatorem płaskim, którego pojemność opisana jest
zależnością:
Elektroda
Zmiana wartości powierzchni elektrody
A spowoduje proporcjonalną zmianę
pojemności C.
Fizyczne podstawy działania polimeru
elektroaktywnego jako elementu wykonawczego
Elastomer
HV 2500V
Przewodzące powierzchnie - elekrody
Fizyczne podstawy działania polimeru
elektroaktywnego jako elementu wykonawczego
Przyłożenie napięcia między okładki kondensatora powoduje oddziaływanie
elektrostatyczne między nimi wynikające z prawa Coulomba. Elastomer jest
ściskany przez okładki, naprężenie to nazywa się ciśnieniem Maxwella i określa
się zależnością:
2
U
s�el =� e�0e�r 2
d
Gdzie
e�
- jest stała dielektryczną dla próżni,
0
e� - stała dielektryczna polimeru zawartego między okładkami
r
kondensatora,
d - odległość między okładkami kondensatora,
U  różnica potencjałów między okładkami.
Cele pracy
" Określenie możliwości użycia polimeru elektroaktywnego
jako czujnika przemieszczenia (sensor).
" Budowa układu, wykorzystującego polimer elektroaktywny
jako element wykonawczy (aktuator).
Zakres pracy
" Badanie mikroskopowe polimeru elektroaktywnego typu dielektrycznego
przy użyciu mikroskopu elektronowego oraz świetlnego.
" Dobranie układu generującego zadany sygnał elektryczny, zmienny w
czasie, o amplitudzie około 2 kV.
" Opracowanie technik preparatyki próbek wykonywanych z polimeru
elektroaktywnego typu dielektrycznego - PolyPower zakupionego w firmie
Danfoss.
" Zaprojektowanie i wykonanie toru pomiarowego do pomiaru pojemności
elektrycznej.
" Projekt i budowa stanowiska do wyznaczania charakterystyki quasi
statycznej: pojemności w funkcji odkształcenia.
PolyPower  prezentacja zakupionego
materiału
Folia o szerokości 200mm i 5m
nawinięta na rolkę [prac własna].
PolyPower  prezentacja zakupionego
materiału
Schemat geometrii filmu PolyPower [6].
PolyPower  prezentacja zakupionego
materiału
Warstwa przewodząca
Wzajemne położenie elektrod na powierzchni materiału. Opracowanie
własne na podstawie danych producenta.
PolyPower  badania mikroskopowe
przekrój poprzeczny
Weryfikacja danych producenta
Profil powierzchni materiału PolyPower.
Opracowanie własne na podstawie
danych producenta. 10mź
PolyPower  badania mikroskopowe
powierzchnia elektrody
Uwidocznienie defektu elektrody na mikroskopie elektronowym [praca własna].
PolyPower  wyznaczenie składu
pierwiastkowego
Polimer, z którego
wykonano PolyPower to
silikon zawierający Si oraz
O, natomiast elektroda jest
wykonana z Ag.
Wyznaczenie składu pierwiastkowego próbki w punkcie
na elektrodzie [praca własna]
Wyznaczenie składu pierwiastkowego
Niejednorodność składu
pierwiastkowego
powierzchni elektrody może
wpływać na własności
elektryczne elektrody.
Mapa składu pierwiastkowego w okolicach krawędzi
materiału ciętego laserem [praca własna].
Badanie mikroskopowe obszaru poddanego
działaniu wysokiego napięcia.
Widok zniszczonej powierzchni
materiału przez przebicie elektryczne
elastomeru. Zdjęcia wykonane na
skaningowym mikroskopie
elektronowym [praca własna].
Badanie mikroskopowe obszaru poddanego
działaniu wysokiego napięcia.
Zdjęcie ścieżki z
nałożonym
wynikiem analizy
pierwiastkowej
wykonanej przy
użyciu EDSu [praca
własna].
Badanie mikroskopowe krawędzi materiału
odciętego laserem
Deformacja brzegu
Próbka materiału wycięta wiązką lasera,
zdjęcie wykonane na skaningowym
mikroskopie elektronowym. Fragmenty
powiększone 2500 razy [praca własna].
Strefa wpływu ciepła
Badanie mikroskopowe krawędzi materiału
odciętego ostrzem
Krawędz
powstała w wyniku cięcia skalpele, zdjęcie wykonane na skaningowym
mikroskopie elektronowym [praca własna].
Przygotowywanie materiału do budowy czujnika
przemieszczenia i elementu wykonawczego
Miejsce
trawienia
Proces trawienia kilku próbek na
jednym arkuszu PolyPower
Obszar
pasywny
Obszar
aktywny
Przygotowywanie materiału do budowy czujnika
przemieszczenia i elementu wykonawczego
Sposób zapewnienia kontaktu elektrycznego między przewodem sygnałowym a
powierzchnią elektrody [praca własna].
Przygotowywanie materiału do budowy czujnika
przemieszczenia i elementu wykonawczego
Próbka PolyPower przeznaczona do wyznaczania charakterystyki pojemnościo-
wej [praca własna].
Schemat wykorzystania PolyPower jako czujnika
przemieszczenia
Schemat podłączenia próbki
PolyPower [praca własna].
Stanowisko pomiarowe do wyznaczanie
charakterystki pojemnościowej.
Elementy stanowiska
pomiarowego:
1 - silnik prądu przemiennego,
2 - sprzęgło elastyczne,
3 - przekładnia ślimakowa,
4 - śruba pociągowa,
5 - szczęki,
6 - próbka PolyPower,
7 -utwierdzenie,
8 - miernik pojemności,
9 - głowica lasera,
10 - kontroler lasera,
11  karta pomiarowa DrDAQ
[praca własna].
Sygnał zawierające krzywe rozładowania
Obliczenia
numeryczne
Pojemność
próbki
Sygnał zarejestrowany z układu Elpo F128 dla kondensatora
wzorcowego 8.2nF , przy częstotliwości próbkowania 200kHz [praca
własna].
Pozyskiwanie kolejnych punktów pomiarowych
Schematyczne przedstawienie zmiany
wydłużenia próbki w funkcji czasu pod-
czas obciążania oraz odciążania próbki
[praca własna].
Charakterystyka pojemnościowa
Charakterystyka
pojemnościowa, czyli
zależność pojemności
od odkształcenia [praca
własna].
Polimer elektroaktywny w roli elementu
wykonawczego  układ 1
Schemat wykorzystania PolyPower jako
elementu wykonawczego. Pasek folii
PolyPower jest ustawiony w pozycji
pionowej [praca własna].
Polimer elektroaktywny w roli elementu
wykonawczego  układ 2
Schemat wykorzystania PolyPower jako elementu
wykonawczego. Pasek folii PolyPower jest ustawiony w pozycji
poziomej [praca własna].
Bibliografia
[1] AG, G.M., Dokumentacja producenta: Safety data sheet acc, to
guideline 93/112/ec.
[2] A.T. Conn, J.R., Radially expanding mechanism for dielectric
elastomers.
[3] Baginsky, I.L., Kostsov, E.G., High energy density capacitance
microgenerators.
[4] Cadwallader, M.L.C., Experimental investigations of
electromagneticinstabilities of free sur-faces in a liquid metal drop.
[5] Cadwallader, M.L.C., Gallium safety inthe laboratory.
[6] Danfoss, Dokumentacja producenta: Engineering sheet, product:
Dielectric electro active polymer film kit.
[7] Danfoss, Dokumentacja producenta: Sensors.
[8] http://en.wikipedia.org/wiki/RC circuit, Dostęp: 23 grudzień 2012.
[9] http://www.polypower.com/, Dostęp: 13 maj 2011.
[10] Michael J. Tryson, Rahimullah Sarban, K.P.L.
[11] S. Boisseau, G.D., Seddik, B.A., Electrostatic conversion for
vibration energy harvesting.
Dziękuje za uwagę...