Neue Materialien für künstliche Muskeln und Generatoren

Dielektrische Elastomer-Aktoren (DEA) stellen eine neue Klasse elektromechanischer Aktoren dar, die auf der Fähigkeit von weichen Materialien beruhen ihre geometrische Dimension stark zu ändern wenn ein elektrisches Feld angelegt wird. Ihre nützlichen Eigenschaften, hierzu zählen die großen erzielbaren mechanischen Dehnungen und Spannungen, ihre geringe Masse, einfache Prozessierbarkeit, Geräuschlosigkeit im Betrieb, sowie die große mechanische Flexibilität lassen sie als attraktive Wahl für Anwendungen in der Robotik, Haptik, Mikrofluidik, Optik, Biomimetik, und Muskelersatz. Zusätzlich können DEAs auch als Sensoren eingesetzt werden, als mechanisch deformierbare Kondensatoren, Energiespeicher und zur Nutzung regenerativer mechanischer Energiequellen. Ein für viele Anwendungen nachteiliger Aspekt der DEAs ist die hohe Betriebsspannung um eine genügend große mechanische Deformation zu erzeugen. Darüber hinaus wäre es in vielen Fällen wünschenswert, wenn man einen linearen Zusammenhang zwischen mechanischer Deformation and elektrischer Spannung einstellen könnte. Um diese erstrebenswerten Eigenschaften zu realisieren, müssen DEAs piezoelektrisch gemacht werden. Ziel dieses gemeinsamen Projektes zwischen der EMPA und der Johannes Kepler Universität Linz (JKU) ist es solche neuen Materialien zu entwickeln und in Aktoren einzusetzen die mit niedrigerer Spannung betrieben werden können als Muskelersatz (künstliche Muskeln) oder für die Umwandlung von biomechanischer Energie in elektrische Energie. Um diese Ziele zu erreichen müssen die Eigenschaften der DEA Materialien in verschiedener Hinsicht verbessert werden: Polydimethylsiloxan-Elastomere (PDMS) die im Labor der EMPA bereits intensive untersucht warden sollen mit Nanoteilchen gefüllt werden, die ein großes permanentes Dipolmoment aufweisen. Die Nanoteilchen werden durch Miniemulsionspolymerisation hergestellt. Monomere, die eine hohe Glastemperatur nach der Polymerisation aufweisen, sollen bevorzugt untersucht werden. Die Monomere sollen zum einen zur Einkapselung von Molekülen mit großem Dipolmoment eingesetzt werden, oder zur Kopolymerisation mit polaren Monomeren. Nach der Präparation von dünnen Filmen oder Aktoren durch Vernetzung, werden die Filme und Aktoren prozessiert, Details hierzu finden sich im ausführlichen Forschungsplan, wesentliches Ziel ist es die DEAs piezoelektrisch zu gestalten. Mit diesen neuen Materialien sollend dann Aktoren, z.B. durch Rakeln und Drucktechniken hergestellt. Die Nutzung solcher Materialien für die Erzeugung elektrischer Energie aus erneuerbaren mechanischen Energiequellen wird in enger Zusammenarbeit mit der JKU untersucht. Zur Materialcharakterisierung wird ein breites Spektrum an experimentellen Techniken eingesetzt, breitbandige dielektrische Spektroskopie, Techniken zur Messung der Spannungs-Dehnungskurven von Elastomeren unter verschiedensten experimentellen Bedingungen (unterschiedliche Temperaturen, angelegte elektrische Spannungen) sowie Polungstechniken um die Elastomere piezoelektrisch zu gestalten.

Elastomere, umgangssprachlich auch Gummi genannt, sind weiche Materialien die in Aktuatoren und zur Nutzung regenerativer Energiequellen eingesetzt werden können. Hierzu wird an einen Kondensator, bestehend aus dem Elastomer und verformbaren Elektroden, eine elektrische Spannung angelegt, die zur Formänderung des Kondensators führt. Für Aktuatoren ist derzeit die hohe elektrische Spannung ein Hindernis in der breiten Anwendung der Materialien, während für Generatoren dies von Vorteil sein kann. Die Materialsynthese muss diese unterschiedlichen Gegebenheiten berücksichtigen. Acryle, natürlicher und synthetischer Gummi sowie Polydimethylsiloxan sind interessante Materialien für die nächste Generation dielektrischer Aktuatoren und Energiewandler. Darüber hinaus sind Elastomere als stark verformbare piezoelektrische Materialien interessant. Im Projekt wurde zunächst untersucht, ob sich durch Ladungskontrolle der Aktuatoren die sogenannte Pull-in Instabilität vermeiden lässt. Bei der Pull-in Instabilität wird der Kondensator bei Erreichen einer kritischen elektrischen Spannung beliebig stark verformt, was zu einem elektrischen Durchbruch führt. Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass auch unter Ladungskontrolle eine Pull-in Instabilität im Allgemeinen nicht verhindert werden kann, es zeigt sich hier eine neue Instabilität die mit der Einschnürung bei mechanischen Zugversuchen verwandt ist. In einer weiteren Arbeit untersuchten wir zeitliche Effekte in Elastomer-Aktuatoren, um Ansätze für langzeitstabile Aktuatoren zu erarbeiten, insbesondere für die an der Johannes Kepler Universität mitentwickelten Minimalaktuatorstrukturen. Im Bereich der Materialentwicklung konnten wir aufzeigen, dass natürlicher Gummi ein sehr interessantes Material für dielektrische Elastomergeneratoren ist. Im letzten Jahr des Projektes und anschließender Arbeiten in diesem Jahr gelang es dann in der gemeinsamen Kooperation mit der Gruppe an der EMPA zu zeigen, dass Elastomere, basierend auf Polydimethylsiloxan und eingebrachten molekularen Gruppen mit starken Dipolmomenten tatsächlich piezoelektrische Eigenschaften aufweisen. Diese Ergebnisse sind vielversprechend für die Entwicklung weicher und stark verformbarer Piezoelektrika, die sich an beliebige dreidimensionale Formen anschmiegen können.