Polímeros electroactivos EAP

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Polímeros electroactivos EAP

Polímeros que responde a la estimulación eléctrica externa mostrando un desplazamiento significativo de forma o tamaño. Estos materiales, conocidos como polímeros electroactivos, o más comúnmente EAP, ahora están al borde de muchas aplicaciones interesantes. Los EAP han atraído mucha atención de ingenieros y científicos de diversas disciplinas. En particular, los investigadores en el campo de la biomimética (un campo de estudio donde los mecanismos robóticos se basan en modelos inspirados biológicamente) encuentran previsible que estos materiales puedan aplicarse para imitar los movimientos de animales, insectos e incluso partes del cuerpo humano. En general, los EAP tienen la capacidad de inducir cepas que son tan altas como dos órdenes de magnitud mayores que los movimientos posibles con cerámica electroactiva rígida y frágil (EAC). Los materiales EAP tienen velocidades de respuesta más altas, densidades más bajas y resistencia mejorada en comparación con las aleaciones con memoria de forma (SMA). Los factores limitantes de los EAP son las bajas fuerzas de actuación, la densidad de energía mecánica y la falta de robustez. Sin embargo, se han informado aplicaciones exitosas en elementos de dirección de catéteres, manipuladores en miniatura, limpiaparabrisas, brazos robóticos en miniatura y pinzas. Hay dos categorías principales que los EAP dependen de su modo de mecanismo de activación, estos incluyen, categorías electrónicas e iónicas.

EAP eléctricos

Ventajas

Puede funcionar en condiciones de habitación durante largos períodos de tiempo
Tiempo de respuesta rápido (niveles de mSec)
Puede contener tensiones bajo activación de CC
Induce fuerzas de accionamiento relativamente grandes

Desventajas

Requiere altos voltajes (~ 150 MV/m)
Requiere compromiso entre la tensión y el estrés
La temperatura de transición vítrea es inadecuada para tareas de actuación a baja temperatura

Polímeros Ferroeléctricos

La piezoelectricidad se descubrió en 1880, con el descubrimiento de que ciertos cristales, por ejemplo, cuarzo, turmalina y sal de Rochelle, cuando se comprimían a lo largo de ciertos ejes, producían un voltaje en la superficie del cristal. También se encontró el efecto inverso por el cual la aplicación de una corriente eléctrica vio al cristal sostener un alargamiento. El poli (fluoruro de vinilideno) o PVDF y sus copolímeros son los polímeros ferroeléctricos más explotados. Consisten en un componente parcialmente cristalino en una fase amorfa inactiva. Grandes campos de CA aplicados (~ 200 MV / m) inducen cepas electroestrictivas (no lineales) de casi ~ 2%. P (VDF-TrFE) un polímero PVDF que ha sido sometido a radiación electrónica ha mostrado una tensión electroestrictiva de hasta 5% en campos de accionamiento de frecuencia más baja (150 V/μm). Los actuadores de polímeros EAP ferroeléctricos se pueden operar en aire, vacío o agua y en un amplio rango de temperaturas.

EAP dieléctrico

Se pueden emplear campos electrostáticos para aquellos polímeros que exhiben baja rigidez elástica y altas constantes dieléctricas para inducir una gran tensión de actuación, estos polímeros se conocen como actuadores de polímeros electrostáticamente estriados (ESSP). Los actuadores dieléctricos EAP requieren grandes campos eléctricos (~ 100 V/μm) y pueden producir niveles de deformación (10-200%).

Elastómeros de injerto electroestrictivos

Este es un polímero que consta de dos componentes, una estructura principal macromolécula flexible y un polímero injertado que se puede producir en forma cristalina. El material exhibe alta tensión inducida por el campo eléctrico (~ 4%) combinada con potencia mecánica y excelente procesabilidad. Un ejemplo típico es una combinación de un elastómero injertado electroestrictivo con un copolímero de poli (fluoruro de vinilideno-trifluoro-etileno) piezoeléctrico. Esta combinación tiene la capacidad de producir una cantidad variada de sistemas compuestos ferroeléctricos-electrostrictivos compuestos. Estos pueden funcionar como un sensor piezoeléctrico o incluso como un actuador electroestrictivo.

Papel electroestrictivo

Generalmente, el papel está compuesto por una multitud de partículas discretas, que son principalmente de naturaleza fibrosa formando una estructura de red. Un ejemplo de esto es el papel laminado plateado mediante el cual se colocan dos trozos de papel laminado plateado con electrodos plateados en las superficies externas. Al aplicar voltaje eléctrico a los electrodos, se produce un desplazamiento de flexión. Estos tipos de actuadores son livianos, fáciles de fabricar y es probable que se usen en aplicaciones tales como absorbentes de sonido activos, parlantes flexibles y dispositivos de control de forma "inteligentes".

Elastómeros Electro-Viscoelásticos

Estos materiales son compuestos de elastómero de silicona y una fase polar. Al curar se aplica un campo eléctrico que orienta la fase polar dentro de la matriz elastomérica. Un campo eléctrico aplicado (<6 V / μm) induce cambios en el módulo de corte. Las aplicaciones típicas de pronóstico son alternativas a los fluidos electrorreológicos para aplicaciones de amortiguación activa.

Materiales de elastómero de cristal líquido (LCE)

Estos poseen características EAP al inducir el calentamiento Joule. Los LCE son materiales compuestos que consisten en elastómeros de cristal líquido nemódico monodominio y polímeros conductores, que se distribuyen dentro de su estructura de red. El mecanismo de actuación es una transición de fase entre las fases nemáticas e isotrópicas. La actuación tiene lugar en menos de un segundo.

EAP iónicos

Ventajas

Requiere bajo voltaje
Proporciona una actuación predominantemente de flexión (se pueden construir mecanismos longitudinales)
Exhibe grandes desplazamientos de flexión

Desventajas

Excepto para CP (polímeros conductores), los EAP iónicos no retienen tensión bajo voltaje de CC
Respuesta lenta (fracción de segundo)
Los EAP de flexión inducen una fuerza de actuación relativamente baja
Excepto para CP y CNT (nanotubos de carbono), es difícil producir un material consistente (particularmente IPMC - Compuestos de polímero-metal ionoméricos)
En sistemas acuosos, el material mantiene la hidrólisis a> 1.23 V

Gel de polímero iónico (IPSOL)

Estos son geles de polímero que tienen el potencial de igualar la fuerza y la densidad de energía de los músculos biológicos. Los materiales de poliacrilonitrilo se activan mediante reacción (es) química (s), un cambio de un ambiente ácido a uno alcalino que induce una actuación a través del gel volviéndose denso o hinchado. La actuación es algo lenta debido a la difusión de iones a través del gel multicapa.

Compuestos ionómeros de polímero y metal (IPMC)

Estos son EAP que se doblan en respuesta a una activación eléctrica como resultado de la movilidad de los cationes en la red de polímeros. En general, dos tipos de polímeros de base se emplean para formar IPMC estos son perfluorosulphonate y perfluorocaboxylate. IPMC requiere voltajes relativamente bajos para estimular una respuesta de flexión (1-10 V) con bajas frecuencias por debajo de 1 Hz.

Polímeros Conductores (CP)

Las PC actúan a través de la inserción y expulsión reversible de contraiones que ocurre durante el ciclo redox. Se producen cambios de volumen significativos a través de reacciones de oxidación y reducción en los electrodos correspondientes a través de intercambios de iones con un electrolito. Los electrodos se fabrican comúnmente a partir de polipirrol o polianilina, o PAN dopado con HCl. Los actuadores CP requieren voltajes en el rango de 1-5 V. Las variaciones en el voltaje pueden controlar las velocidades de actuación. Densidades de energía mecánica relativamente altos de más de 20 J/cm3 se consiguen con estos materiales, sin embargo, que poseen eficiencias bajas a niveles de 1%. Otras combinaciones de materiales para CP son polipirrol, polietilendioxitiofeno, poli (p-fenilen vinileno) s, polianilina y politiofenos. Algunas aplicaciones reportadas para estos CP son cajas en miniatura que tienen la capacidad de abrir y cerrar, micro-robots, herramientas quirúrgicas, robots quirúrgicos que ensamblan otros micro-dispositivos.

Nanotubos de carbono (CNT)

En 1999, las CNT surgieron como EAP formales con propiedades mecánicas similares a las de los diamantes. El mecanismo de actuación es a través de un medio electrolítico y el cambio en la longitud del enlace a través de la inyección de cargas que afectan el equilibrio de carga iónica entre el nanotubo y el electrolito. Cuantas más cargas se inyecten en la CNT, mayor será el cambio de dimensión. Como consecuencia de la resistencia mecánica y el módulo de CNT individuales y los desplazamientos de actuador alcanzables, estos EAP pueden presumir del mayor trabajo por ciclo y generar tensiones mecánicas mucho más altas que otras formas de EAP.

Polímeros electroactivos dieléctricos (DEAP)

En los últimos años ha habido un creciente interés en los polímeros electroactivos dieléctricos (DEAP) y su potencial en las aplicaciones de actuadores debido a sus grandes capacidades de deformación. Investigaciones significativas han demostrado que estos actuadores inteligentes prometen el reemplazo de muchos actuadores convencionales. Los polímeros electroactivos (EAP) se clasifican en dos clases principales: iónicos y electrónicos. Un campo eléctrico o fuerzas de culombio conducen EAP electrónicos, mientras que el mecanismo de actuación para EAP iónicos ocurre a través de la difusión o movilidad de iones.

EAP de polímeros electroactivos

Los polímeros electroactivos (EAP) son materiales inteligentes capaces de cambios sustanciales de tamaño o forma sometidos a estimulación eléctrica y se pueden clasificar en dos clases principales, a saber, "iónico" y "electrónico". Los EAP electrónicos incluyen elastómeros electroestrictivos, polímeros ferroeléctricos y polímeros dieléctricos electroactivos (DEAP), también conocidos como elastómeros dieléctricos (DE) (por ejemplo, silicona, acrílico, poliuretano, etc.). DEAP ha demostrado ser materiales potencialmente útiles para aplicaciones con actuadores. Gracias sus grandes esfuerzos de actuación junto con una respuesta rápida y alta densidad de energía. Se ha prestado mucha atención a la aplicación de DEAP en la tecnología de implementación. La estructura básica de un actuador DEAP consiste en una membrana de elastómero dieléctrico insertada entre dos electrodos compatibles. Se aplica un campo eléctrico entre los electrodos conformes, lo que provoca una compresión y un alargamiento del espesor en el área de la película. En comparación con los actuadores convencionales basados en el principio electromagnético, como los electrodos de cerámica electroactiva (EAC) o de aleación con memoria de forma (SMA), los actuadores DEAP tienen una baja rigidez elástica y una alta constante dieléctrica. La ventaja esperada sobre los actuadores convencionales es que pueden producir altos niveles de deformación con grandes deformaciones, fuerzas significativas generadas, eficiencias de convenciones de alta energía, ligeras y silenciosas. Las aplicaciones DEAP cubren un amplio espectro, como la robótica inteligente, la bioingeniería y la automatización. Este documento revisa los avances recientes en actuadores DEAP, con aplicaciones particulares para acústica y control de vibraciones.

Aplicaciones

Sin embargo, algunas de estas aplicaciones incluyen: partes que tendrán la capacidad de imitar sistemas de insectos, animales o incluso humanos (por ejemplo, músculos artificiales humanos), elementos de dirección del catéter, manipulador en miniatura, limpiaparabrisas, miniatura brazos robóticos, pinzas, fluidos electrorreológicos para amortiguación activa, cajas en miniatura, micro robots, herramientas quirúrgicas y robots quirúrgicos que tienen la capacidad de ensamblar otros micro dispositivos.

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