Dielektrische Elastomere

Dielektrische Elastomere (DE) sind adaptive Materialsysteme, welche hohe Dehnungen (bis zu 300 %) erzeugen können. Sie gehören zur Gruppe der elektroaktiven Polymere (EAP). Basierend auf ihrem einfachen Funktionsprinzip wandeln dielektrische Elastomer-Aktoren (DEA) elektrische Energie direkt in mechanische Arbeit um. DE sind sehr leicht, haben eine hohe elastische Energiedichte und werden seit Ende der 1990er-Jahren erforscht. Viele potentielle Anwendungen befinden sich derzeit im Prototypenstadium. Im Frühjahr findet jedes Jahr in San Diego eine SPIE-Konferenz statt, an der die neusten Forschungsresultate auf dem Gebiet DEA ausgetauscht werden.

Funktionsprinzip

Funktionsprinzip eines dielektrischen Elastomer-Aktors. Ein Elastomerfilm wird beidseitig mit Elektroden beschichtet. Die Elektroden werden an einen elektrischen Schaltkreis angelegt. Durch Anbringen einer elektrischen Spannung $ U $ stellt sich der elektrostatische Druck $ p_{\mathrm {el} } $ ein. Der Elastomerfilm wird in Dickenrichtung zusammengedrückt und dehnt sich seitlich aus. Beim Kurzschliessen des Schaltkreises geht der Elastomerfilm wieder in seinen Ursprungszustand zurück.

Ein DEA ist im Prinzip ein nachgiebiger elektrostatischer Kondensator (siehe Bild). Ein passiver Elastomerfilm wird zwischen zwei nachgiebigen Elektroden eingeklemmt. Wenn eine elektrische Spannung $ U $ angelegt wird, ziehen sich die gegenüberliegenden Elektroden aufgrund des elektrostatischen Druckes $ p_{\mathrm {el} } $ (Coulomb-Kräfte) an. Der inkompressible Elastomerfilm wird in Dickenrichtung zusammengedrückt und dehnt sich in seitlicher Richtung aus. Der äquivalente elektromechanische Druck $ p_{eq} $ ist doppelt so groß wie der elektrostatische Druck $ p_{\mathrm {el} } $ und lässt sich berechnen als

Wobei $ \varepsilon _{0} $ die Permittivität des Vakuums, $ \varepsilon _{r} $ die Dielektrizitätskonstante und z die Schichtdicke des Elastomerfilms ist. Übliche unidirektionale Dehnungen von DEA liegen bei 10–35 %, Maximalwerte gehen bis zu 300 %.^[1]

Materialien

Als Elastomer-Materialien werden häufig Silikone oder Acryle verwendet. Besonders das acrylische Elastomer VHB 4910 von der Firma 3M wird in der Forschung häufig verwendet, weil es bis heute die größten Dehnungen (bis zu 300 %) gezeigt hat. Grundsätzlich gibt es folgende Anforderungen an ein Elastomer welches als DEA eingesetzt wird:

• Das Material sollte einen tiefen Elastizitätsmodul haben (insbesondere wenn hohe Dehnungen erwünscht sind)
• Die Dielektrizitätskonstante sollte hoch sein
• Die Durchschlagsfestigkeit sollte hoch sein.

Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Durchschlagfestigkeit liegt in der mechanischen Vordehnung der Folie. Weitere Gründe für die Vordehnung des Elastomers sind folgende:

• Die Schichtdicke nimmt ab. Dadurch wird eine tiefere elektrische Spannung benötigt, um den gleichen elektrostatischen Druck zu erzeugen
• Druckspannungen in seitlicher Richtung, welche zu Versagen des Aktors führen können, werden dadurch vermieden.

Die Elastomere zeigen ein visko-hyperelastisches Verhalten. Für die Berechnung solcher Aktoren werden Modelle benötigt, welche sowohl Gummielastizität als auch Viskoelastizität beschreiben. Für die Elektrode werden in der Forschung verschiedene Materialien (zum Beispiel Graphitpulver, Silikonöl-Graphitgemische, Goldelektroden, etc.) verwendet. Die Elektrode sollte gut elektrisch leitend und nachgiebig sein. Die Nachgiebigkeit der Elektrode ist wichtig, damit das Elastomer bei der Ausdehnung von der Elektrode nicht behindert wird.

Konfigurationen und Anwendungen

Es gibt verschiedene Konfigurationen und Anwendungen für dielektrische Elastomere:

• Planare Aktoren: Ein planarer Aktor ist eine Folie welche mit zwei Elektroden beschichtet ist. Anhand von planaren Aktoren ist das Prinzip von DEA ersichtlich.
• Gerollte Aktoren: Beschichtete Elastomerfolien werden um eine Achse herum aufgerollt. Bei der Aktivierung stellt sich eine Kraft und eine Dehnung in axialer Richtung ein. Die Anwendung solcher gerollter Aktoren sind künstliche Gelenke für Menschen (Prothetik) und Robotergelenke.
• Schalenförmige Aktoren: Planare Elastomerfolien werden an bestimmten Stellen beschichtet, so dass verschiedene Elektrodenzellen vorhanden sind. Durch gezielte Ansteuerung dieser Zellen mit der elektrischen Spannung, können die Folien komplexe dreidimensionale Formen annehmen. Schalenförmige Aktoren können für den Antrieb von Fahrzeugen im Wasser oder Luft verwendet werden, zum Beispiel ein Prallluftschiff.
• Stapel-Aktoren: Durch Aufschichtung von mehreren planaren Aktoren kann eine höhere Kraft und Verschiebung erzeugt werden. Insbesondere kann durch die Aktivierung eine Zugspannung im Aktor und somit eine Verkürzung des Aktors erzeugt werden.

Einzelnachweise

Literatur

• Federico Carpi, Elisabeth Smela: Biomedical Applications of Electroactive Polymer Actuators. John Wiley and Sons, 2009, ISBN 9780470773055, S. 389 (Digitalisat)
• Joseph Ayers, Joel L. Davis, Alan Rudolph: Neurotechnology for biomimetic robots. MIT Press, 2002, ISBN 026201193X, S. 152 (Digitalisat)
• Dielektrische Elastomerstapelaktoren am Institut für Elektromechanische Konstruktionen (EMK) Technische Universität Darmstadt