Elastómeros dieléctricos

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

Un DEA es un condensador flexible (ver imagen), en el que una película de elastómero pasivo se intercala entre dos electrodos flexibles . Cuando se aplica un voltaje , la presión electrostática que surge de las fuerzas de Coulomb actúa entre los electrodos. Los electrodos aprietan la película de elastómero. La presión electromecánica equivalente es el doble de la presión electrostática y se expresa mediante:${\estilo de visualización U}$$estilo de visualización p_ {el}}$$estilo de visualización p_{eq}}$$estilo de visualización p_ {el}}$

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

donde es la permitividad de vacío , es la constante dieléctrica del polímero y es el espesor de la película de elastómero en el estado actual (durante la deformación). Por lo general, las deformaciones de DEA están en el orden del 10-35%, los valores máximos alcanzan el 300% (el elastómero acrílico VHB 4910, disponible comercialmente de 3M , que también admite una alta densidad de energía elástica y una alta resistencia a la ruptura eléctrica ).${\displaystyle \varepsilon _{0}}$${\displaystyle \varepsilon _{r}}$${\estilo de visualización z}$

La sustitución de los electrodos por hidrogeles blandos permite que el transporte iónico sustituya al transporte de electrones. Los hidrogeles iónicos acuosos pueden proporcionar potenciales de varios kilovoltios, a pesar de que la electrólisis se inicia por debajo de 1,5 V. ^{[3] [4]}

La diferencia entre la capacitancia de la doble capa y la del dieléctrico genera un potencial a través del dieléctrico que puede ser millones de veces mayor que el de la doble capa. Se pueden lograr potenciales del orden de los kilovoltios sin degradar electroquímicamente el hidrogel. ^{[3] [4]}

Las deformaciones están bien controladas, son reversibles y pueden funcionar a alta frecuencia. Los dispositivos resultantes pueden ser perfectamente transparentes. Es posible la actuación a alta frecuencia. Las velocidades de conmutación están limitadas únicamente por la inercia mecánica. La rigidez del hidrogel puede ser miles de veces menor que la del dieléctrico, lo que permite la actuación sin restricciones mecánicas en un rango de casi el 100% a velocidades de milisegundos. Pueden ser biocompatibles. ^{[3] [4]}

Los problemas restantes incluyen el secado de los hidrogeles, la acumulación iónica, la histéresis y el cortocircuito eléctrico. ^{[3] [4]}

Los primeros experimentos en la investigación de dispositivos semiconductores se basaron en conductores iónicos para investigar la modulación de campo de los potenciales de contacto en silicio y para hacer posible los primeros amplificadores de estado sólido. El trabajo realizado desde el año 2000 ha establecido la utilidad de los electrodos de compuerta electrolítica. Los geles iónicos también pueden servir como elementos de transistores de grafeno extensibles y de alto rendimiento. ^[4]

Las películas de polvo de carbono o grasa cargadas con negro de carbono fueron las primeras opciones como electrodos para los DEA. Estos materiales tienen poca confiabilidad 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 implantadas en la superficie de nanoagrupaciones metálicas y películas metálicas corrugadas o estampadas. ^{[4] [5]}

Estas opciones ofrecen propiedades mecánicas limitadas, resistencias de lámina, tiempos de conmutación y fácil integración. Las siliconas y los elastómeros acrílicos son otras alternativas.

Los requisitos para un material elastómero son:

• El material debe tener baja rigidez (especialmente cuando se requieren grandes tensiones);
• La constante dieléctrica debe ser alta;
• La resistencia a la ruptura eléctrica debe ser alta.

El preestiramiento mecánico de la película de elastómero ofrece la posibilidad de mejorar la resistencia a la ruptura eléctrica. Otras razones para el preestiramiento incluyen:

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

Los elastómeros presentan un comportamiento viscohiperelástico, por lo que para el cálculo de estos actuadores se requieren modelos que describan grandes deformaciones y 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 limitado mecánicamente al alargarse. ^[4]

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

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

Los actuadores de elastómero dieléctrico deben diseñarse de manera que se evite el fenómeno de ruptura dieléctrica en todo su recorrido de movimiento. Además de la ruptura dieléctrica, los actuadores de elastómero dieléctrico son susceptibles a otro modo de falla, conocido como inestabilidad electromecánica, que surge debido a la interacción no lineal entre las fuerzas de restauración electrostáticas y mecánicas. En varios casos, la inestabilidad electromecánica precede a la ruptura dieléctrica. Los parámetros de inestabilidad (voltaje crítico y el estiramiento máximo correspondiente) dependen de varios factores, como el nivel de preestiramiento, la temperatura y la permitividad dependiente de la deformación. Además, también dependen de la forma de onda de voltaje utilizada para accionar el actuador. ^[8]

Las configuraciones incluyen:

• Actuadores enmarcados o en el plano: un actuador enmarcado o en el plano es una película elastomérica recubierta o impresa con dos electrodos. Normalmente, se monta un marco o una estructura de soporte alrededor de la película. Algunos ejemplos son los círculos expansivos y los planos (monofásicos y multifásicos).
• Actuadores cilíndricos/de rodillos: las películas de elastómero recubiertas se enrollan alrededor de un eje. Al activarse, se genera una fuerza y ​​un alargamiento en la dirección axial. Los actuadores pueden estar enrollados alrededor de un resorte de compresión o sin núcleo. Las aplicaciones incluyen músculos artificiales ( prótesis ), minirrobots y microrrobots y válvulas.
• Actuadores de diafragma: Un actuador de diafragma está hecho como una construcción plana que luego se inclina en el eje z para producir un movimiento fuera del plano.
• Actuadores con forma de concha: las películas de elastómero planas se recubren en lugares específicos en forma de segmentos de electrodos. Con una activación bien dirigida, las láminas adoptan formas tridimensionales complejas. Se pueden utilizar ejemplos para propulsar vehículos a través del aire o el agua, por ejemplo, para dirigibles.
• Actuadores apilados: apilar actuadores planos puede aumentar la deformación. Los actuadores que se acortan al activarse son buenos candidatos.
• Actuadores de modo de espesor: la fuerza y ​​el recorrido se mueven 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 del actuador basado en elastómero dieléctrico (DE) se convierte en una actuación fuera del plano, como flexión o 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: el elastómero plano se adhiere 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 da como resultado un abultamiento controlado por voltaje del globo elastomérico. ^[10]

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

• Pelrine, R.; Kornbluh, R.; Pei, Q.; Joseph, J. (2000). "Elastómeros accionados eléctricamente a alta velocidad con una deformación superior 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}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )

• Programa de Materiales y Estructuras Inteligentes (EAP/AFC) en Empa
• Red científica europea de músculos artificiales
• EuroEAP – Conferencia internacional sobre transductores de polímeros electromecánicamente activos (EAP) y músculos artificiales
• Actuadores poliméricos electroactivos de alcance 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 Wayback Machine en Technische Universität Darmstadt
• Proyecto europeo PolyWEC: nuevos mecanismos y conceptos para explotar polímeros electroactivos para la conversión de energía de las olas