Dielectric Elastomers as Electromechanical Transducers pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:

作者:Carpi, Federico (EDT)/ de Rossi, Danilo (EDT)/ Kornbluh, Roy (EDT)

出品人:

页数:344

译者:

出版时间:2008-3

价格:1683.00 元

装帧:

isbn号码:9780080474885

丛书系列:

图书标签:

Dielectric elastomers
Electromechanical transducers
Soft robotics
Artificial muscles
Sensors
Actuators
Materials science
Polymer science
Electroactive polymers
Microfluidics

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具体描述

This book provides a comprehensive and updated insight into dielectric elastomers; one of the most promising classes of polymer-based smart materials and technologies. This technology can be used in a very broad range of applications, from robotics and automation to the biomedical field.

The need for improved transducer performance has resulted in considerable efforts towards the development of devices relying on materials with intrinsic transduction properties. These materials, often termed as "smart" or "intelligent", include improved piezoelectrics and magnetostrictive or shape-memory materials. Emerging electromechanical transduction technologies, based on so-called ElectroActive Polymers (EAP), have gained considerable attention. EAP offer the potential for performance exceeding other smart materials, while retaining the cost and versatility inherent to polymer materials. Within the EAP family, "dielectric elastomers", are of particular interest as they show good overall performance, simplicity of structure and robustness. Dielectric elastomer transducers are rapidly emerging as high-performance "pseudo-muscular" actuators, useful for different kinds of tasks. Further, in addition to actuation, dielectric elastomers have also been shown to offer unique possibilities for improved generator and sensing devices.

Dielectric elastomer transduction is enabling an enormous range of new applications that were precluded to any other EAP or smart-material technology until recently.

This book provides a comprehensive and updated insight into dielectric elastomer transduction, covering all its fundamental aspects. The book deals with transduction principles, basic materials properties, design of efficient device architectures, material and device modelling, along with applications.

* Concise and comprehensive treatment for practitioners and academics

* Guides the reader through the latest developments in electroactive-polymer-based technology

* Designed for ease of use with sections on fundamentals, materials, devices, models and applications

压电材料与器件的物理基础、设计与应用本书深入探讨了压电现象的物理学原理、先进压电材料的制备技术，以及基于这些材料构建的各类电-机换能器件的性能设计与实际应用。全书内容旨在为材料科学家、电子工程师和机械设计人员提供一个全面且深入的参考框架，以理解和利用压电效应进行高精度传感、驱动和能量收集。 --- 第一部分：压电物理学基础与本构关系本部分奠定了理解压电现象所需的理论基石。第一章：晶体对称性与压电效应的分子起源详细分析了材料的宏观晶体学特性如何决定其压电响应。内容涵盖了点群理论在确定压电张量分量中的作用，以及铁电性与压电性的内在联系。重点讨论了晶格振动模式（声子）如何通过外加电场或机械应力耦合能量，形成正逆压电效应。引入了德拜模型和软模理论，解释了在特定材料（如某些钙钛矿结构）中，极化是如何在不同温度下稳定和消失的。第二章：连续介质中的压电本构方程本章专注于构建描述压电耦合行为的数学模型。推导了基于应变（或应力）和电位移（或电场）的线性本构关系，引入了六阶压电应力常数矩阵 $mathbf{d}$、压电应变常数矩阵 $mathbf{e}$ 以及电学和机械弹性系数矩阵。详细讨论了不同工况（如恒温、恒应变、恒电场）下的方程简化形式及其物理意义。此外，深入探讨了电致伸缩（高阶非线性效应）在强电场下的影响，及其对器件精度和可靠性的挑战。第三章：本构方程的介电耦合与能量转换效率本章分析了压电材料的介电特性。介绍了相对介电常数、损耗角正切与频率的关系，特别是在高频工作状态下，介电弛豫对能量损耗的影响。推导了能量转换的基本效率公式，探讨了机械品质因数 ($Q_m$) 和电学品质因数 ($Q_e$) 对整体机电耦合系数 ($k$) 的限制作用。通过分析阻抗匹配理论，阐述了如何优化器件设计以最大化电能向机械能的转化率。 --- 第二部分：先进压电材料的合成与表征本部分聚焦于高性能压电陶瓷、单晶和聚合物的制备技术、微结构控制及其性能评估方法。第四章：PZT 陶瓷的制备与微结构工程 PZT（锆钛酸铅）作为工业标准压电材料，本章详细介绍了固相合成法、溶胶-凝胶法和水热合成法。重点分析了烧结过程中的晶粒取向、晶界相对（Grain Boundary Effects）对宏观压电性能的影响。讨论了掺杂改性技术，如对 A 位（$ ext{Pb}^{2+}$ 替代）和 B 位（$ ext{Ti}^{4+}$ 或 $ ext{Zr}^{4+}$ 替代）进行元素掺杂（如 $ ext{La}$、$ ext{Nb}$、$ ext{Sb}$）以实现“硬”化或“软”化特性，从而优化其耐高压性能或高灵敏度。第五章：单晶压电材料的生长与优越性深入探讨了 $ ext{PMN-PT}$ 和 $ ext{PZN-PT}$ 等单晶材料的生长技术，如垂直向上熔体法（Bridgman Technique）和顶端熔化法（Edge-defined Film-fed Growth, EFG）。对比了单晶与多晶陶瓷在超高机电耦合系数 ($k_{33}$) 上的优势，并分析了极化域（Polar Domain）的单一化对高频响应带宽的影响。讨论了单晶材料在超声换能器和高精度惯性导航系统中的应用潜力。第六章：聚合物压电材料（PVDF 及其共聚物）本章侧重于柔性压电器件的基础——聚偏氟乙烯（PVDF）及其共聚物 ($ ext{P(VDF-TrFE)}$)。介绍了拉伸诱导的结晶取向过程，以及通过外加高压极化（Poling）建立永久偶极矩的机理。讨论了其在生物医学植入、可穿戴传感器和薄膜声学器件中的优势，特别是其优异的柔韧性和低声阻抗特性。第七章：新型压电材料探索本章涵盖了前沿研究领域，包括： 1. 高熵氧化物压电体：探索多元素共混带来的随机性对铁电/压电行为的影响。 2. 非铅压电材料：如 $ ext{K}_{0.5} ext{Na}_{0.5} ext{NbO}_3$ ($ ext{KNN}$) 体系的制备挑战与性能优化。 3. 二维材料的压电性：讨论过渡金属硫化物（如 $ ext{MoS}_2$）在纳米尺度下表现出的尺寸依赖型压电效应。 --- 第三部分：压电器件的设计、建模与驱动/传感电路本部分将理论和材料知识应用于实际器件的构建和系统集成。第八章：压电换能器的等效电路建模详细介绍了压电器件（如压电蜂鸣器、超声换能器）的等效电路模型，包括 Butterworth-Van Dyke (BVD) 模型。精确识别并量化了谐振频率 ($f_r$)、反谐振频率 ($f_a$) 以及带宽。通过阻抗谱分析技术，演示了如何通过实验确定 $ ext{L}$, $ ext{C}$, $ ext{R}$ 等参数，并据此进行精确的频率响应匹配设计。第九章：高功率与高频驱动电路设计针对需要高电压或高电流驱动的应用，本章探讨了驱动电路的优化策略。介绍了谐振电路驱动、脉冲激励技术以及开关电源（Switching Mode Power Supply, SMPS）在提高压电执行器效率方面的应用。重点分析了高频工作（兆赫兹范围）下，驱动电路中的寄生电感和电容对换能器性能的负面影响，并提出了补偿技术。第十章：压电传感器的信号调理与噪声抑制压电传感器通常产生高阻抗、低幅值的电荷信号。本章详细介绍了前端信号调理电路的设计，包括： 1. 电荷放大器：分析了其输入阻抗、反馈电容对带宽和低频响应的影响。 2. 电压放大与滤波：如何设计低噪声运算放大器电路，以有效放大微弱的压电信号，并抑制环境噪声和 $1/f$ 噪声。 3. 阻抗匹配：确保传感器输出与后续数据采集系统之间的最佳连接。第十一章：关键压电器件的应用案例分析本章通过具体的工程实例，展示了压电技术的广泛应用：医疗超声成像系统：分析了阵列换能器的波束成形技术，以及如何利用 $ ext{PMN-PT}$ 单晶提高穿透深度和分辨率。高精度定位与微操作：讨论了压电纳米定位平台（PZT Stack Actuators）的蠕变（Creep）和滞后（Hysteresis）问题的补偿方法，如闭环控制系统和应变反馈机制。能量收集（Energy Harvesting）：介绍了基于压电振动采集器的设计，用于为低功耗无线传感器节点供电。分析了如何根据环境振动特性（频率和加速度）来优化压电器件的机械结构（如梁、膜片或质量块）以实现最大功率输出。 --- 附录附录 A：压电张量分量的指标约定（国际标准与工程应用）。附录 B：常用压电材料的性能参数表（$d_{ij}, k_{ij}, epsilon^T, andelta$）。附录 C：有限元分析（FEA）在压电器件建模中的应用简介。