Электроактивные полимеры (EAP) представляют собой быстрорастущую и перспективную научную область исследований и разработок. EAPs изучаются для мехатронных устройств и систем, реализованных с использованием интеллектуальных материалов, способных изменять размеры и форму в ответ на соответствующие электрические стимулы, с тем чтобы превращать электрическую энергию в машинную работу. Они также могут работать в обратном режиме, преобразовывая механическую энергию в электрическую. Поэтому они могут использоваться в качестве исполнительных механизмов, механоэлектрических датчиков, а также в качестве энергоуборочных комбайнов для выработки электроэнергии.
Для таких задач EAP обладают уникальными свойствами, такими как значительные активные деформации или напряжения с электрическим приводом, высокая механическая пластичность, низкая концентрация, тривиальность конструкции, простота обработки и масштабируемость, небольшая стоимость. В силу своих функциональных и структурных свойств электромеханические преобразователи на основе этих материалов обычно называют искусственными мышцами EAP.
Материалы EAP обычно делятся на два основных класса: ионные EAP и электронные EAP. Первые активируются электроиндуцированным переносом ионов и/или растворителя, а вторые включаются электростатическими силами. Ионные EAP включают в себя полимерные гели. Электронные EAP охватывают пьезоэлектрические полимеры и углеродные нанотрубчатые аэрогели.
В настоящее время EAP изучаются для областей применения, которые до сих пор были недостижимы с использованием традиционных технологий управления, начиная с микро- и заканчивая макромасштабными, в нескольких областях, в том числе робототехнику, технизацию, протезирование, ортопедию, искусственные органы, оптику, сбор энергии и даже аэрокосмическую отрасль.
БУДУЩИЕ ТРЕНДЫ
После нескольких лет фундаментальных исследований, область EAP только начинает переходить от научной деятельности к коммерциализации, при этом значительные инвестиции поступают от крупных компаний.
В этом контексте ниже кратко излагаются основные исследовательские задачи и технологические задачи, которые все еще требуют значительных усилий.
A. Задачи фундаментальных исследований
Для ионных EAP фундаментальным вопросом, который обязательно требует значительного улучшения, является увеличение срока службы и скорости реакции. На самом деле, короткий срок службы и высокая продолжительность отклика существенно ограничивают производительность ионных EAP сегодня.
Эти недостатки обусловлены главным образом электрохимическим приводом основных механизмов передачи энергии: это приводит, с одной стороны, к возможному циклическому разрушению материала и электрода, а с другой - к снижению скорости реакции, обусловленной электродиффузией ионов и растворителей. Ограничение таких проблем позволило бы повысить эксплуатационную пригодность ионных технологий EAP, основное преимущество которых заключается в способности реагировать на чрезвычайно низкие управляющие напряжения (порядка 1 Вольт). С этой целью использование улучшенных электролитов и более эффективных стратегий электропривода (например, инфракрасная компенсация) представляет первостепенный интерес в соответствии с их документально подтвержденной эффективностью.
Для электронных EAP основополагающей задачей является уменьшение движущихся электрических полей. Фактически, в настоящее время электронные EAP требуют больших движущихся электрических полей (порядка 100 В/мкм) из-за электростатического характера их механизмов активации. Снижение полей возбуждения расширит сферу их применения на территории, которые в настоящее время исключены в связи с необходимостью высокого напряжения возбуждения (порядка 100-1000 В), хотя и при малой мощности (поскольку электронные электроприводы EAP являются емкостной нагрузкой). Более низкие поля вождения позволят использовать большой потенциал электронных электронно-лучевых барьеров, основными преимуществами которых являются высокая управляющая деформация и напряжения, быстрая реакция и длительный срок службы. Для этого необходима разработка новых диэлектрических полимеров с повышенными свойствами электромеханической трансдукции, а именно с более высокой диэлектрической проницаемостью (при ограничении типичного параллельного снижения пробивной прочности). Подходы, представляющие первостепенный интерес, включают композиционные материалы, полимерные смеси (т.е. многокомпонентные системы, включающие как изоляционные полимеры, так и полупроводящие или кондуктивные сопрягаемые полимеры).
B. Технологические задачи
Хотя решение вышеуказанных фундаментальных исследовательских задач неизбежно, этого недостаточно. В целом, решение фундаментальных материальных проблем является необходимым условием для достижения необходимых прорывов, но, безусловно, это не является гарантией непосредственной применимости.
На самом деле, научные достижения не могут игнорировать параллельные разработки в направлении индустриализации. По этой причине разработка приводов EAP, которые могут быть промышленно и массово изготовлены, требует дополнения базовых исследовательских задач технологическими задачами. Последнее, в основном, касается технологических схем и оптимизаций, а также производственных процессов.
Для ионных EAP основным технологическим вопросом является разработка эффективных процессов производства пленок и волокон. Фактически, изготовление надежных приводов из ионных EAP в форме пленок и волокон с использованием процессов, которые могут быть индустриализованы, является сегодня необходимым для перехода от лабораторного масштаба к промышленному.
Это требует концентрации усилий по адаптации и разработке методов обработки и упаковки материалов, которые могут быть применены к ионным EAP.
В частности, потребность в рабочей среде электролита (в виде жидкого или твердого полимерного электролита) требует разработки специальных технологических решений для всего производственного процесса, особенно для надлежащего уплотнения жидкостей.