Charakterisierung dielektrischer Elastomere

Für die Entwicklung von dielektrischen Elastomermaterialien, dielektrischen Aktoren (DEA) und Sensoren sowie Generatoren verfügt das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF über ein breites Spektrum zugeschnittener Prüfverfahren. Dies reicht von der elektrischen, mechanischen und elektromechanischen Materialcharakterisierung, über hochfrequente Schwingungsprüfung bis hin zu Lebensdaueruntersuchungen. Die Erkenntnisse und Materialdaten fließen in die Material- und Bauteilentwicklung sowie die Simulation von dielektrischen Wandlern ein.

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Im Bereich Kunststoffe des Fraunhofer LBF stehten unterschiedliche Messmethoden zur Erfassung der Materialeigenschaften dielektrischer Elastomermaterialien zur Verfügung. Mit speziell entwickelten Messverfahren werden frequenz- und temperaturabhängige mechanische, elektrische und elektromechanische Eigenschaften der dielektrischen Elastomermaterialien bestimmt. Aus frequenz- und temperaturabhängigen Messungen des mechanischen Moduls und der Permittivität kann man beispielsweise den elektromechanischen Koeffizienten berechnen. Mit speziellen Methoden kann das mechanische, elektrische und elektromechanische Versagen in Langzeitversuchen erfasst werden. Ein spezieller Aspekt sind Untersuchungen zum Einfluss der relativen Luftfeuchte auf die Materialeigenschaften.

Die frequenz- und temperaturabhängigen Stoffwerte können mit Materialfunktionen angepasst werden und bilden die Voraussetzung für eine numerische Simulation.

Charakterisierungsmethoden für dielektrische Elastomere:

  • Dielektrische Spektroskopie
  • Hochspannungsprüfung
  • Dynamisch-mechanische Analyse
  • Zugversuche
  • Elektromechanische Charakterisierung
  • Hochfrequente Schwingfestigkeitsuntersuchungen
  • Elektrische und elektromechanische Alterung

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Das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF besitzt langjährige Erfahrung in der dynamischen Charakterisierung dielektrischer Elastomerwandler, die als Aktoren, Sensoren oder Generatoren zum Einsatz kommen können. Mit speziell für diese Aufgabe entwickelten Messmethoden kann frequenz-, last- und spannungsabhängig das mechanische, elektrische und elektromechanische Verhalten der Wandler charakterisiert werden. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der typischen Nichtlinearität solcher Wandler. Darüber hinaus können Langzeitversuche für Zuverlässigkeitsuntersuchungen bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt werden. Die vielfältigen multiphysikalischen Untersuchungen sind ein wesentlicher Baustein in der ganzheitlichen Entwicklung und Bewertung dielektrischer Elastomerwandler. Die experimentell gewonnenen Daten können zudem als Basis für die Erstellung parametrischer numerischer Modelle dienen.

Für das junge Feld dielektrischer Elastomerwandler existieren noch keine genormten Messmethoden, das Fraunhofer LBF wirkt an der Erstellung erster Richtlinien zur Charakterisierung mit [1]. Dabei werden elektrische, mechanische und  elektromechanische Eigenschaften mit jeweils definierten elektrischen und mechanischen Randbedingungen bestimmt und im Frequenz- oder Zeitbereich dargestellt. Bei Bedarf können diese Untersuchungen auch temperaturabhängig erfolgen.

[1] F. Carpi, I. Anderson, S. Bauer G. Frediani, G. Gallone, M. Gei, Ch. Graaf, C. Jean-Mistral, W. Kaal, G. Kofod, M. Kollosche, R. Kornbluh, B. Lassen, M. Matysek, S. Michel, S. Nowak, B. O’Brien, Q. Pei, R. Pelrine, B. Rechenbach, S. Rosset, H. Shea, Standards for dielectric elastomer transducers, Smart Materials and Structures 24 (10) (2015)

Einige typische messtechnisch bestimmte Zusammenhänge sind:

  • Aktorische Auslenkung bei verschiedenen mechanischen Vorlasten
  • Aktorische Kraft im eingespannten Zustand
  • Quantifizierung der elektromechanischen Nichtlinearität
  • Kapazität in Abhängigkeit der Vorlast und oder der Auslenkung
  • Mechanische Steifigkeit in Abhängigkeit der elektrischen Spannung
  • Aktorische Auslenkung bei einer bestimmten Frequenz über der Zyklenzahl
  • Quantifizierung von Nichtlinearitäten bzw. der Klirrfaktors