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Numerical Studies on the Influence of Dissipative Effects on Electromechanical Properties of Dielectric Polymers

Eder-Goy, Dagmar (2019):
Numerical Studies on the Influence of Dissipative Effects on Electromechanical Properties of Dielectric Polymers.
Darmstadt, Technische Universität, [Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Numerical Studies on the Influence of Dissipative Effects on Electromechanical Properties of Dielectric Polymers
Language: English
Abstract:

Dielectric polymers find an increased interest in research and development due to an intensive demand of soft and flexible materials for electromechanical components. Dielectric polymers are excellent energy converters because of high efficiency and energy density and have a vast area of application; primarily, they are used in sensors and actuators. Due to tissue-like deformation properties, they are applied for artificial muscles, prosthesis or implants, and are suitable for wearable and foldable electronics. In this work, the viscoelastic behaviour of dielectric polymers is focussed, the frequently investigated acrylic elastomer VBH49, which shows a pronounced viscous deformation, was chosen as material example. A rectangular, dielectric elastomer membrane with compliant electrodes was selected as an example for an actuator. Static and dynamic, voltage-controlled deformation of this idealised dielectric elastomer actuator (DEA) is investigated numerically. Moreover, a global, structural failure mode called “Pull-in instability“ is examined with regard to pre-stretch and viscous effects. The Euler-Lagrange formalism is used at this to obtain equation of motion and viscous evolution equation. Using an energy approach, a stability analysis is conducted to determine the critical parameters for instantaneous and time-delayed dynamic Pull-in. The impact of cross-linking on dynamic deformation is investigated using a viscoelastic Arruda-Boyce material. Continuum mechanical models for electro-viscoelastic behaviour of solid dielectrics, based on a coupling of electrostatic and mechanical stress, are formulated and implemented for small and large deformation applying the Hooke and St.Vernant material law. Numerical solutions for a split of energy function and deformation gradient into elastic and viscoelastic fractions are investigated in reference to a similar split of the stress tensor. Benchmark tests are carried out to validate the models. Non-polar dielectric polymers are used for the manufacturing of pseudo-piezoelectric structures denoted as ferro- or piezoelectrets. Ferroelectrets show piezo- and inverse piezoelectric properties after an electric poling, whereby charge is trapped in the interface of layers with different susceptibility. In this work, ferroelectret structures consisting of air-filled polymer cells from fluorinated ethylene propylene (FEP) are investigated. In contrast to piezoceramics, these ferroelectrets are flexible and allow large deformation; due to their ultra-softness they are suitable for applications activated by sound or vibration. The micro-cellular ferroelectret structures, with measured d33 piezoelectric coefficients up to 160 pCN−1, are analysed by means of Finite-Element simulation. A volume interface element is formulated therefore to map the charging process and the behaviour under compression. The influence of geometry and mechanical boundary conditions on the effective Young’s modulus and the d33 coefficient is studied using a linear model. Electrical and mechanical field distributions are analysed finally for three geometries that either replicate a real cell structure, a simple rectangular structure, or a structure gained from the simulation of FEP-tube compression.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Aufgrund der intensiven Nachfrage nach weichen und flexiblen, elektromechanischen Bauteilen, erfahren elektroaktive Polymere (EAPs) vermehrtes Interesse im Bereich Forschung und Entwicklung. Wegen ihrer hohen Energiedichte und ihres hohen Wirkungsgrades sind sie exzellente Energiewandler. EAPs finden Anwendung im Bereich Sensoren, Aktuatoren und Generatoren; sie können in künstlichen Muskeln, Prothesen und Implantaten, sowie in trag- und faltbarer Elektronik eingesetzt werden. In dieser Arbeit wurde das zur Gruppe der elektronischen EAPs zugehörige Acrylatelastomer VHB49 als Materialbeispiel für einen dielektrischen Elastomeraktuator (DEA) ausgewählt. Untersucht wird das elektrisch aktivierte, statische und dynamische Verformungsverhalten dieses idealisierten Aktuators, bestehend aus einer Elastomermembran und nachgiebigen Elektroden. Ferner wird ein globaler, struktureller Versagensmodus, bezeichnet als „Pull-in Instabilität“, in Hinblick auf den Einfluss von Vorspannung und viskosen Effekten analysiert. Der Euler-Lagrange Formalismus wird verwendet, um die Bewegungsgleichung des Systems und eine Evolution für die viskose Streckung zu ermitteln. Der Einfluss der Molekülkettenvernetzung auf die dynamische Verformung wird anhand eines visko-elastischen Arruda-Boyce Materials untersucht. Ausgehend von der freien Energie des Systems wird zur Bestimmung der kritischen Parameter für instantanen oder zeitverzögerten Pull-in eine Stabilitätsanalyse durchgeführt. Elektro-viskomechanische Materialmodelle, basierend auf einer Kopplung zwischen elektrostatischer und mechanischer Spannung, werden für kleine und große Verformungen unter Verwendung von Hooke und St.Vernant Material formuliert. Die Modelle für kleine Deformationen dienen hierbei als Referenz für den Vergleich mit experimentellen Ergebnissen. Der Einfluss auf die numerische Lösung bei einer Zerlegung des Spannungs-tensors in elastische- und viskoelastische Anteile wird im Vergleich zu einer entsprechenden Zerlegung von Energiefunktion und Deformationsgradient untersucht. Hierfür werden Benchmark Tests durchgeführt. Nonpolare dielektrische Elastomere werden zur Herstellung von pseudo-piezoelektrischen Materialen, sogenannten Ferro- oder Piezoelektrets verwendet. Diese Materialien zeigen piezo- und invers piezoelektrische Effekte nach einer elektrischen Polung, bei der freie Ladung in den Grenzflächen zwischen Schichten mit unterschiedlicher Suszeptibilität eingeschlossen wird. In dieser Arbeit wird eine Ferroelektretstruktur bestehend aus luftgefüllten Polymerzellen aus dem Fluorcopolymer Tetrafluorethylen-Hexfluorpropylen-Copolymer (FEP) untersucht. Im Gegensatz zu Piezokeramiken sind diese Materialien flexibel und hochgradig deformierbar. Aufgrund ihrer Weichheit eignen sie sich für Anwendungen, die durch Schall- oder Vibrationswellen aktiviert werden. Die mikrozellularen Ferroelektrestrukturen, mit d33 Koeffizienten bis 160 pCN−1, werden unter Verwendung von Finite-Elemente Simulationen analysiert. Zur Abbildung des Polarisierungsprozesses und des Verhaltens unter mechanischer Kompression wird ein Volumengrenzflächenelement zur Steuerung der Grenzflächen-polarisation formuliert. Der Einfluss von Geometrie und mechanischen Randbedingungen auf den effektiven E-Modul und den d33 Koeffizienten wird mit einem linearen Modell untersucht. Abschließend werden elektrische und mechanische Feldgrößenverteilungen anhand dreier Zellgeometrien, einer idealen Zelle, die eine reale Struktur abbildet, einer rechteckigen Zelle und einer virtuellen Zelle, basierend auf Verformungssimulationen von FEP-Röhrchen, untersucht.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Mechanics of functional Materials
Date Deposited: 04 Nov 2019 13:29
Last Modified: 09 Jul 2020 02:48
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-92201
Referees: Xu, Prof. Baixiang and Gross, Prof. Dietmar
Refereed: 4 June 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/9220
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