elastómeros dieléctricos

Los elastómeros dieléctricos ( DE ) son sistemas de materiales inteligentes que producen grandes deformaciones y son prometedores para la robótica blanda , los músculos artificiales , etc. Pertenecen al grupo de polímeros electroactivos (EAP). Los actuadores de elastómeros dieléctricos (DEA) transforman la energía eléctrica en trabajo mecánico y viceversa. Por lo tanto, pueden usarse como actuadores, sensores y dispositivos de recolección de energía. Tienen una alta densidad de energía elástica y una respuesta rápida debido a que son ligeros, altamente elásticos y funcionan bajo el principio electrostático. Se han investigado desde finales de la década de 1990. Existen muchas aplicaciones prototipo. Cada año, se celebran conferencias en Canadá ^{[ 1 ]} y Europa ^{[ 2 ]} .

Un DEA es un condensador flexible (ver imagen), donde una película de elastómero pasivo se encuentra intercalada entre dos electrodos flexibles . Cuando se aplica un voltaje${\displaystyle U}$Se aplica la presión electrostática${\displaystyle p_{el}}$La fuerza de presión electrostática que surge de las fuerzas de Coulomb actúa entre los electrodos.${\displaystyle p_{el}}$La fuerza que actúa sobre las placas plano-paralelas de un condensador se expresa como:

${\displaystyle p_{el}={\frac {1}{2}}\varepsilon _{0}\varepsilon _{r}{U^{2} \over z^{2}}}$

dónde${\displaystyle \varepsilon _{0}}$es la permitividad del vacío ,${\displaystyle \varepsilon _{r}}$es la constante dieléctrica del polímero y${\displaystyle z}$es el espesor de la película de elastómero en el estado actual (durante la deformación). Por lo tanto, la presión depende del cuadrado de la intensidad del campo eléctrico y puede incrementarse significativamente mediante el uso de materiales dieléctricos resistentes a la ruptura con una alta permitividad relativa. ${\displaystyle \varepsilon _{r}}$Además, existe repulsión electrostática entre cargas iguales dentro de los electrodos. Como resultado, la presión electromecánica equivalente${\displaystyle p_{eq}}$es el doble de grande que la presión electrostática ${\displaystyle p_{el}}$y viene dada por:

${\displaystyle p_{eq}=\varepsilon _{0}\varepsilon _{r}{\frac {U^{2}}{z^{2}}}}$

Por lo general, las deformaciones de DEA están en el orden del 10 al 35 %, y los valores máximos alcanzan el 300 % (el elastómero acrílico VHB 4910, disponible comercialmente en 3M , que también admite una alta densidad de energía elástica y una alta rigidez dieléctrica ).

Las películas de polvo de carbono o grasa cargada con negro de humo fueron las primeras opciones como electrodos para los DEA. Estos materiales tienen poca fiabilidad y no están disponibles con las técnicas de fabricación establecidas. Se pueden lograr características mejoradas con metal líquido, láminas de grafeno , recubrimientos de nanotubos de carbono, capas superficiales implantadas de nanocúmulos metálicos y películas metálicas corrugadas o con patrones. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Estas opciones ofrecen propiedades mecánicas, resistencias superficiales, tiempos de conmutación y facilidad de integración limitados. Las siliconas y los elastómeros acrílicos son otras alternativas.

Los requisitos para un material elastomérico son:

• El material debe tener una rigidez baja (especialmente cuando se requieren grandes deformaciones);
• La constante dieléctrica debe ser alta;
• La rigidez dieléctrica debe ser alta.

El preestiramiento mecánico de la película de elastómero ofrece la posibilidad de mejorar la rigidez dieléctrica. Otras razones para el preestiramiento incluyen:

• El espesor de la película disminuye, lo que requiere un voltaje menor para obtener la misma presión electrostática;
• Evitar esfuerzos de compresión en las direcciones del plano de la película.

Los elastómeros presentan un comportamiento viscohiperelástico. Para el cálculo de dichos actuadores se requieren modelos que describan grandes deformaciones y la viscoelasticidad .

Los materiales utilizados en la investigación incluyen polvo de grafito, mezclas de aceite de silicona y grafito, y electrodos de oro. El electrodo debe ser conductor y flexible. La flexibilidad es importante para que el elastómero no se vea restringido mecánicamente al estirarse. ^{[ 4 ]}

Las películas de hidrogeles de poliacrilamida formadas con agua salada pueden laminarse sobre las superficies dieléctricas, reemplazando los electrodos. ^{[ 4 ]}

Los DE basados ​​en silicona ( PDMS ) y caucho natural son campos de investigación prometedores. ^{[ 6 ]} Propiedades como tiempos de respuesta rápidos y eficiencia son superiores al usar DE basados ​​en caucho natural en comparación con los DE basados ​​en VHB ( elastómero acrílico ) para deformaciones inferiores al 15%. ^{[ 7 ]}

Los actuadores de elastómero dieléctrico deben diseñarse para evitar el fenómeno de ruptura dieléctrica durante todo su recorrido. Además de la ruptura dieléctrica, los actuadores de elastómero dieléctrico son susceptibles a otro modo de fallo, denominado inestabilidad electromecánica, que surge debido a la interacción no lineal entre las fuerzas electrostáticas y mecánicas restauradoras. En varios casos, la inestabilidad electromecánica precede a la ruptura dieléctrica. Los parámetros de inestabilidad (tensión crítica y el estiramiento máximo correspondiente) dependen de varios factores, como el nivel de preestiramiento, la temperatura y la permitividad dependiente de la deformación. Adicionalmente, también dependen de la forma de onda de tensión utilizada para accionar el actuador. ^{[ 8 ]}

Las configuraciones incluyen:

• Actuadores enmarcados/planares: Un actuador enmarcado o planar es una película elastomérica recubierta o impresa con dos electrodos. Generalmente, se monta un marco o estructura de soporte alrededor de la película. Algunos ejemplos son los actuadores circulares expansibles y los planares (monofásicos y multifásicos).
• Actuadores cilíndricos/de rodillo: Películas de elastómero recubiertas se enrollan alrededor de un eje. Al activarse, se genera una fuerza y ​​una elongación en la dirección axial. Los actuadores pueden enrollarse alrededor de un resorte de compresión o sin núcleo. Entre sus aplicaciones se incluyen músculos artificiales ( prótesis ), minirrobots y microrrobots , y válvulas.
• Actuadores de diafragma: Un actuador de diafragma se fabrica como una estructura plana a la que luego se le aplica una fuerza en el eje z para producir un movimiento fuera del plano.
• Actuadores tipo concha: Se recubren láminas de elastómero planas en puntos específicos a modo de segmentos de electrodos. Mediante una activación precisa, las láminas adoptan formas tridimensionales complejas. Algunos ejemplos se utilizan para propulsar vehículos por aire o agua, como dirigibles.
• Actuadores apilados: Apilar actuadores planares puede aumentar la deformación. Los actuadores que se acortan al activarse son buenos candidatos.
• Actuadores de modo de espesor: La fuerza y ​​el desplazamiento se producen en la dirección z (fuera del plano). Los actuadores de modo de espesor suelen ser una película plana que puede apilarse en capas para aumentar el desplazamiento.
• Actuadores de flexión: La actuación en el plano de los actuadores basados ​​en elastómeros dieléctricos (DE) se convierte en actuación fuera del plano, como la flexión o el plegado, utilizando una configuración unimorfa donde una o varias capas de láminas de DE se apilan sobre una capa de sustrato inactivo. ^{[ 9 ]}
• Actuadores de globo: Un elastómero plano se une a una cámara de aire y se infla con un volumen constante de aire; luego, la rigidez del elastómero se puede variar aplicando una carga eléctrica, lo que resulta en un abombamiento del globo elastomérico controlado por voltaje. ^{[ 10 ]}

Los elastómeros dieléctricos ofrecen múltiples aplicaciones potenciales con la posibilidad de reemplazar muchos actuadores electromagnéticos, neumáticos y piezoeléctricos. Una lista de aplicaciones potenciales incluye:

• Pelrine, R.; Kornbluh, R.; Pei, Q.; Joseph, J. (2000). "Elastómeros accionados eléctricamente de alta velocidad con deformación mayor al 100 %". Science . 287 (5454): 836– 839. Bibcode : 2000Sci...287..836P . doi : 10.1126/science.287.5454.836 . PMID 10657293 . 
• Carpi; De Rossi; Kornbluh; Pelrine; Sommer-Larsen (2008). "Elastómeros dieléctricos como transductores electromecánicos: Fundamentos, materiales, dispositivos, modelos y aplicaciones de una tecnología emergente de polímeros electroactivos" . Elsevier .{{cite journal}}: Para citar una revista se requiere |journal=( ayuda )

• Programa de Materiales y Estructuras Inteligentes (EAP/AFC) en Empa
• Red Científica Europea para Músculos Artificiales
• EuroEAP – Conferencia internacional sobre transductores de polímeros electromecánicamente activos (EAP) y músculos artificiales
• Actuadores poliméricos electroactivos a nivel mundial * Webhub : Compendio de enlaces de Yoseph Bar-Cohen en JPL
• Loverich, JJ; Kanno, I.; Kotera, H. (2006). "Conceptos para una nueva clase de microbombas totalmente poliméricas". Lab on a Chip . 6 (9): 1147– 1154. doi : 10.1039/b605525g . PMID 16929393 . 
• Danfoss PolyPower
• El Laboratorio de Biomimética de la Universidad de Auckland
• Actuadores de pila de elastómero dieléctrico (DESA) Archivado el 12 de marzo de 2012 en la Wayback Machine de la Universidad Técnica de Darmstadt.
• Proyecto PolyWEC de la UE: Nuevos mecanismos y conceptos para el aprovechamiento de polímeros electroactivos para la conversión de energía undimotriz.