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介电高弹体的力-电耦合低周疲劳失效行为研究

介电高弹体,力电耦合,循环变形,低周疲劳

  介电高弹体（Dielectric Elastomer，DE）是一类电活性智能软材料，具有电致变形大、能量密度高、响应速度快和成本低等优点，作为驱动器、能量收集器和传感器等智能器件在航空航天、软体机器人和医疗器械等领域具有广泛的应用前景。然而，这些DE器件在服役过程中一般承受高电压和大变形的循环载荷；并且，DE材料内部难免会有微孔洞和夹杂等缺陷。这些缺陷在循环载荷作用下容易发展成微裂纹，并不断扩展，最后导致DE在高电压下发生电击穿疲劳失效。目前，疲劳失效已是限制DE器件的工程应用和长期服役的最大不利因素之一。

  为此，本文开展了介电高弹体的力-电耦合低周疲劳失效行为研究。首先，开展了一系列纯剪切变形模式下的力-电耦合疲劳实验，包括常电压下不同应力幅值和不同平均应力的疲劳实验，揭示了力-电耦合的载荷水平与疲劳寿命之间的关系。然后，基于上述的疲劳实验结果和力-电耦合本构模型，采用一个基于构型应力的疲劳损伤参量，构建了一个力-电耦合疲劳模型。最后，对DE的力-电耦合低周疲劳实验结果进行了模拟和预测，发现实验和预测的疲劳寿命数据点都在两倍分散带之内。本文的研究将有助于理解DE的疲劳失效行为，并为DE器件的安全设计和疲劳寿命预测提供了一定的理论指导。