डाइलेक्ट्रिक इलास्टोमर्स

परावैद्युत इलास्टोमेर प्रवर्तक का कार्य सिद्धांत। एक इलास्टोमेरिक फिल्म को दोनों तरफ इलेक्ट्रोड के साथ लेपित किया जाता है। इलेक्ट्रोड एक सर्किट से जुड़े होते हैं। वोल्टेज लगाने से $U$ स्थिरविद्युत दबाव $p_{el}$ कार्य करता है। यांत्रिक संपीड़न के कारण इलास्टोमेर फिल्म मोटाई की दिशा में सिकुड़ती है और फिल्म विमान दिशाओं में फैलती है। शॉर्ट-सर्किट होने पर इलास्टोमेर फिल्म अपनी मूल स्थिति में वापस आ जाती है।

परावैद्युत इलास्टोमर्स (डीईएस) स्मार्ट सामग्री प्रणालियां हैं जो बड़े तनाव (सामग्री विज्ञान) का उत्पादन करती हैं। वे विद्युतीय बहुलक (ईएपी) के समूह से संबंधित हैं। डीई प्रवर्तक (डीईए) विद्युत ऊर्जा को यांत्रिक कार्यों में परिवर्तित करते हैं। वे हल्के होते हैं और उच्च लोचदार ऊर्जा घनत्व रखते हैं। 1990 के दशक के उत्तरार्ध से उनकी जांच की जा रही है। कई प्रोटोटाइप एप्लिकेशन मौजूद हैं। हर साल अमेरिका और यूरोप में सम्मेलन आयोजित किए जाते हैं ।

समतुल्य विद्युत यांत्रिक

कार्य सिद्धांत

एक डीईए एक आज्ञाकारी संधारित्र है (छवि देखें), जहां एक निष्क्रिय प्रत्यास्थलक फिल्म दो आज्ञाकारी इलेक्ट्रोड के बीच दबी होती है। जब एक वोल्टेज $U$ लागू किया जाता है, विद्युतीय दबाव $p_{el}$ कूलlम्ब के नियम से उत्पन्न इलेक्ट्रोड के बीच कार्य करता है। इलेक्ट्रोड प्रत्यास्थलक फिल्म को निचोड़ते हैं। समतुल्य विद्युत यांत्रिक दबाव $p_{eq}$ स्थिरविद्युत दबाव $p_{el}$ का दोगुना है और इसके द्वारा दिया गया है:

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

कहाँ $\varepsilon _{0}$ निर्यात प्रतिवेदकता है, $\varepsilon _{r}$ बहुलक का परावैद्युत स्थिरांक है और $z$ प्रत्यास्थलक फिल्म की मोटाई है। सामान्यतयः, डीईए के उपभेद 10-35% के क्रम में होते हैं, अधिकतम मान 300% तक पहुंचते हैं (एक्रिलिक इलास्टोमेर वीएचबी 4910, व्यावसायिक रूप से 3एम से उपलब्ध है, जो एक उच्च लोचदार ऊर्जा घनत्व और एक उच्च विद्युत टूटने की शक्ति का भी समर्थन करता है।)

आयोनिक

इलेक्ट्रोड को नरम हाइड्रोजेल के साथ बदलने से आयनिक परिवहन इलेक्ट्रॉन परिवहन को बदलने की अनुमति देता है। 1.5 V से नीचे इलेक्ट्रोलिसिस की शुरुआत के बावजूद जलीय आयनिक हाइड्रोजेल कई किलोवोल्ट की क्षमता प्रदान कर सकते हैं।

दोहरी परत और परावैद्युत के बीच का अंतर परावैद्युत क्षमता की ओर जाता है जो दोहरी परत की तुलना में लाखों गुना अधिक हो सकता है। हाइड्रोजेल को विद्युत रासायनिक रूप से अपघटित किए बिना किलोवोल्ट श्रेणी में संभाव्यता प्राप्त की जा सकती है।

विकृति अच्छी तरह से नियंत्रित, प्रतिवर्ती और उच्च आवृत्ति संचालन में सक्षम हैं। परिणामी उपकरण पूरी तरह से पारदर्शी हो सकते हैं। उच्च-आवृत्ति सक्रियण संभव है। स्विचिंग गति केवल यांत्रिक जड़ता द्वारा सीमित होती है। हाइड्रोजेल की कठोरता परावैद्युत की तुलना में हजारों गुना छोटी हो सकती है, जिससे मिलीसेकंड गति पर लगभग 100% की सीमा में यांत्रिक बाधा के बिना सक्रियता की अनुमति मिलती है। वे जैव संगत हो सकते हैं।

शेष मुद्दों में हाइड्रोजेल का सूखना, आयनिक बिल्ड-अप, हिस्टैरिसीस और इलेक्ट्रिकल शॉर्टिंग शामिल हैं।

सिलिकॉन में संपर्क क्षमता के क्षेत्र उतार-चढ़ाव की जांच करने और पहले ठोस-अवस्था प्रवर्धक को सक्षम करने के लिए अर्धचालक उपकरण अनुसंधान में प्रारंभिक प्रयोग आयनिक चालकों पर निर्भर थे। 2000 से कम ने इलेक्ट्रोलाइट गेट इलेक्ट्रोड की उपयोगिता स्थापित की है। आयोनिक जैल उच्च-प्रदर्शन, स्ट्रेचेबल ग्राफीन ट्रांजिस्टर के तत्वों के रूप में भी काम कर सकते हैं।

सामग्री

डीईए के लिए इलेक्ट्रोड के रूप में कार्बन पाउडर या प्रंगार काला से भरी ग्रीस की झिल्ली शुरुआती पसंद थीं। ऐसी सामग्रियों की विश्वसनीयता कम होती है और स्थापित निर्माण तकनीकों के साथ उपलब्ध नहीं होती हैं। तरल धातु, ग्राफीन की चादरें, कार्बन नैनोट्यूब की परत, धातु नैनोकल की सतह-प्रत्यारोपित परतें और नालीदार धातु की झिल्लियों के साथ बेहतर विशेषताओं को प्राप्त किया जा सकता है।

ये विकल्प सीमित यांत्रिक गुण, शीट प्रतिरोध, स्विचिंग समय और आसान एकीकरण प्रदान करते हैं। सिलिकोन और एक्रिल समूह इलास्टोमर्स अन्य विकल्प हैं।

इलास्टोमेर सामग्री के लिए आवश्यकताएं हैं:

• सामग्री में कम कठोरता होनी चाहिए (विशेषकर जब बड़े तनाव की आवश्यकता हो);
• परावैद्युत स्थिरांक अधिक होना चाहिए;
• विद्युत टूटने की शक्ति अधिक होनी चाहिए।

इलास्टोमेर फिल्म को यंत्रवत् पूर्व-खींचने से विद्युत टूटने की शक्ति को बढ़ाने की संभावना मिलती है। प्रीस्ट्रेचिंग के अन्य कारणों में शामिल हैं:

• फिल्म की मोटाई कम हो जाती है, समान स्थिरविद्युत दबाव प्राप्त करने के लिए कम वोल्टेज की आवश्यकता होती है;
• फिल्म प्लेन दिशाओं में कंप्रेसिव स्ट्रेस से बचना।

इलास्टोमर्स एक विस्को-हाइपरलेस्टिक व्यवहार दिखाते हैं। ऐसे प्रवर्तक की गणना के लिए प्रतिरूप जो बड़े उपभेदों और चिपचिपाहट का वर्णन करते हैं, की आवश्यकता होती है।

शोध में प्रयुक्त सामग्री में ग्रेफाइट पाउडर, सिलिकॉन तेल/ग्रेफाइट मिश्रण, सोने की इलेक्ट्रोड सम्मिलित हैं। इलेक्ट्रोड प्रवाहकीय और आज्ञाकारी होना चाहिए। अनुपालन महत्वपूर्ण है ताकि लम्बी होने पर इलास्टोमेर यांत्रिक रूप से विवश न हो।

नमक के पानी से बनने वाले पॉलीएक्रिलामाइड हाइड्रोजेल की झिल्लियों को इलेक्ट्रोड की जगह परावैद्युत सतहों पर लेमिनेट किया जा सकता है।

सिलिकॉन (पॉलीडाइमिथाइलसिलोक्सेन) और प्राकृतिक रबर पर आधारित डीई अनुसंधान क्षेत्रों का वादा कर रहे हैं। प्रतिक्रिया समय (प्रौद्योगिकी) समय और दक्षता जैसे गुण 15% से कम विकृति (यांत्रिकी) के लिए वीएचबी (एक्रिलाट बहुलक) आधारित डीई की तुलना में प्राकृतिक रबर आधारित डीई का उपयोग करके बेहतर हैं।

परावैद्युत इलास्टोमर्स में अस्थिरता

परावैद्युत इलास्टोमर प्रवर्तक को निर्माण किया जाना चाहिए ताकि उनकी गति के पूरे पाठ्यक्रम में इलेक्ट्रिकल विश्लेषण की घटना से बचा जा सके। परावैद्युत विश्लेषण के अतिरिक्त, डीईए एक अन्य विफलता मोड के लिए अतिसंवेदनशील होते हैं, जिसे विद्युत यांत्रिक अस्थिरता कहा जाता है,

जो स्थिरविद्युत और यांत्रिक पुनर्स्थापन बलों के बीच गैर-रैखिक संपर्क के कारण उत्पन्न होती है। कई मामलों में, विद्युत यांत्रिक अस्थिरता परावैद्युत टूटने से पहले होती है। अस्थिरतापैरामीटर (महत्वपूर्ण वोल्टेज और संबंधित अधिकतम खिंचाव) कई कारकों पर निर्भर हैं, जैसे कि प्रीस्ट्रेच का स्तर, तापमान और विरूपण पर निर्भर पारगम्यता। इसके अतिरिक्त, वे प्रवर्तक को चलाने के लिए उपयोग किए जाने वाले वोल्टेज तरंग पर भी निर्भर करते हैं।

कॉन्फ़िगरेशन

विन्यास में शामिल हैं:

• ढांचा/इन-प्लेन प्रवर्तक: एक फ़्रेमयुक्त या इन-प्लेन एक्ट्यूएटर दो इलेक्ट्रोड के साथ लेपित/मुद्रित एक इलास्टोमेरिक फिल्म है। सामान्यतयः फिल्म के चारों ओर एक ढांचा या समर्थन संरचना लगाया जाता है। उदाहरण विस्तार मंडलियां और प्लानर (एकल और एकाधिक चरण) हैं।
• बेलनाकार/रोल प्रवर्तक: परतदार इलास्टोमेर झिल्लियों को एक अक्ष के चारों ओर घुमाया जाता है। सक्रियण से, अक्षीय दिशा में एक बल और एक बढ़ाव दिखाई देता है। प्रवर्तक को कम्प्रेशन स्प्रिंग के चारों ओर या कोर के बिना रोल किया जा सकता है। अनुप्रयोगों में कृत्रिम मांसपेशियां (प्रोस्थेटिक्स), छोटा- और माइक्रोरोबोट्स और वाल्व सम्मिलित हैं।
• डायाफ्राम प्रवर्तक: एक डायाफ्राम एक्ट्यूएटर को एक प्लेनर निर्माण के रूप में बनाया जाता है, जो तब विमान गति से बाहर निकलने के लिए z- अक्ष में पक्षपाती होता है।
• शेल-जैसे प्रवर्तक्स: प्लेनर इलास्टोमेर झिल्लियों को इलेक्ट्रोड सेगमेंट के रूप में विशिष्ट स्थानों पर लेपित किया जाता है। एक अच्छी तरह से निर्देशित सक्रियता के साथ, झाग जटिल त्रि-आयामी आकार ग्रहण करते हैं। उदाहरणों का उपयोग वाहनों को हवा या पानी के माध्यम से चलाने के लिए किया जा सकता है, उदा। ब्लिंप के लिए।
• स्टैक प्रवर्तक: स्टैकिंग प्लानर प्रवर्तक विरूपण बढ़ा सकते हैं। प्रवर्तक जो सक्रियण के तहत छोटा होता है, अच्छे उम्मीदवार होते हैं।
• मोटाई मोड प्रवर्तक: बल और स्ट्रोक जेड-दिशा (विमान के बाहर) में चलता है। मोटाई मोड प्रवर्तक आमतौर पर एक सपाट फिल्म होती है जो विस्थापन को बढ़ाने के लिए परतों को ढेर कर सकती है।
• बेंडिंग प्रवर्तक्स: डाइइलेक्ट्रिक इलास्टोमर (डीई) आधारित प्रवर्तक के इन-प्लेन एक्चुएशन को आउट-ऑफ-प्लेन एक्चुएशन में परिवर्तित किया जाता है जैसे कि यूनिमॉर्फ कॉन्फ़िगरेशन का उपयोग करके झुकना या तह करना जहां डीई शीट की एक या कई परतें एक परत के ऊपर खड़ी होती हैं निष्क्रिय सब्सट्रेट।
• बैलून प्रवर्तक: प्लेन इलास्टोमर एक एयर चैंबर से जुड़ा होता है और हवा की एक निरंतर मात्रा के साथ फुलाया जाता है, फिर इलस्टोमर की कठोरता को विद्युत भार लगाकर अलग किया जा सकता है; इसलिए इलास्टोमेरिक गुब्बारे के वोल्टेज-नियंत्रित उभार के परिणामस्वरूप।

अनुप्रयोग

परावैद्युत इलास्टोमर्स कई विद्युत चुम्बकीय प्रवर्तक, न्यूमेटिक्स और पीजो प्रवर्तक को बदलने की क्षमता के साथ कई संभावित अनुप्रयोगों की पेशकश करते हैं। संभावित अनुप्रयोगों की सूची में शामिल हैं:

• Haptic Feedback
• Pumps
• Valves
• Robotics
• Active origami-inspired structure
• Prosthetics
• Power Generation
• Active Vibration Control of Structures
• Optical Positioners such for auto-focus, zoom, image stabilization
• Sensing of force and pressure
• Active Braille Displays
• Speakers
• Deformable surfaces for optics and aerospace
• Energy Harvesting
• Noise-canceling windows
• Display-mounted tactile interfaces
• Adaptive optics

अग्रिम पठन

• Pelrine, R.; Kornbluh, R.; Pei, Q.; Joseph, J. (2000). "High-Speed Electrically Actuated Elastomers with Strain Greater Than 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). "Dielectric elastomers as electromechanical transducers: Fundamentals, materials, devices, models & applications of an emerging electroactive polymer technology". Elsevier. {{cite journal}}: Cite journal requires |journal= (help)

बाहरी संबंध

• Smart Materials & Structures (EAP/AFC) program at Empa
• European Scientific Network for Artificial Muscles
• EuroEAP - International conference on Electromechanically Active Polymer (EAP) transducers & artificial muscles
• WorldWide Electroactive Polymer Actuators * Webhub: Yoseph Bar-Cohen's link compendium at JPL
• Loverich, J. J.; Kanno, I.; Kotera, H. (2006). "Concepts for a new class of all-polymer micropumps". Lab on a Chip. 6 (9): 1147–1154. doi:10.1039/b605525g. PMID 16929393.
• Danfoss PolyPower
• The Biomimetics Laboratory at The University of Auckland
• Dielectric Elastomer Stack Actuators (DESA) at Technische Universität Darmstadt
• PolyWEC EU Project: New mechanisms and concepts for exploiting electroactive Polymers for Wave Energy Conversion