Projekte

Herstellung von Elastomercompositen und -verbunden

Teilprojekt im Rahmen von CANDELA - Compositbasierte neue dielektrische Elastomer Aktoren

Vollpolymerer dielektrischer Polymeraktor für aktorische Charakterisierung
© Fraunhofer IWS Dresden
Vollpolymerer dielektrischer Polymeraktor für aktorische Charakterisierung

Compositbasierte neue dielektrische Elastomer Aktoren (CANDELA)

Ziel des Forschungsprojektes ist die Entwicklung neuer funktioneller Materialien für dielektrische Elastomeraktoren. Dabei sollen spezielle Nanokomposite auf der Basis dielektrischer Elastomere zum Einsatz kommen, die die gewünschten Eigenschaften sowohl der Elektroden als auch des Dielektrikums sicherstellen - bei gleichzeitig größtmöglicher Kompatibilität der eingesetzten Materialien.

Aufgabenstellung

CANDELA
© Fraunhofer IWS Dresden
CANDELA

Dielektrische Elastomeraktoren zählen zur Gattung der elektroaktiven Polymere und finden nicht nur Einsatz als Aktoren, sondern können ebenso als sensorische Systeme oder Energiewandler fungieren. Die kommerziellen dielektrischen Elastomeraktoren bestehen aus einer polymeren dielektrischen sowie zwei Elektrodenschichten, die entweder aus dünnen metallischen Schichten, aufgesprühten leitfähigen Partikeln, Leitpasten, Leitlacken oder elektrisch leitfähigen Polymeren bestehen. Diese unterschiedlichen Schichten weisen voneinander abweichende mechanische Eigenschaften auf, was die aktorische Performance sowie die Lebensdauer beeinflusst.

Ziel des Forschungsprojektes war die Entwicklung neuer funktioneller Materialien für dielektrische Elastomeraktoren. Dabei sollen spezielle Nanokomposite auf der Basis dielektrischer Elastomere zum Einsatz kommen, welche die gewünschten Eigenschaften sowohl der Elektroden als auch des Dielektrikums bei gleichzeitig größtmöglicher Kompatibilität der eingesetzten Materialien sicherstellen.

Lösungsansatz

Die Lösung der Problemstellung basiert auf einem vollpolymeren monolithischen Aufbau der dielektrischen Elastomeraktoren. Dies wird erzielt, indem ein Basis-Polymer entsprechend der notwendigen Schichteigenschaften modifiziert wird. Der so entstehende Schichtaufbau besteht somit überwiegend aus dem Basis-Polymer und einzelnen mechanisch aufeinander abgestimmten Schichten.

Ergebnisse

REM-Aufnahme eines kryogebrochenen vollpolymeren dielektrischen Elastomeraktors
© Fraunhofer IWS Dresden
REM-Aufnahme eines kryogebrochenen vollpolymeren dielektrischen Elastomeraktors

Im Rahmen der Material- und Technologieentwicklung konnte nachgewiesen werden, dass ein vollpolymerer monolithischer dielektrischer Polymeraktor sehr vielversprechende Ergebnisse liefern kann. Die Materialparameter der einzelnen Schichten konnten gezielt und reproduzierbar eingestellt sowie abgestimmt werden. Die entwickelte Herstellungstechnologie erlaubt eine hohe geometrische Vielfalt der Systeme und ermöglicht auch die Herstellung von geringen Schichtdicken. Im Vergleich zu Sputterschichten sind diese Polymerschichten zwar vergleichsweise dick, jedoch reduziert sich bei Abstimmung der mechanischen Eigenschaften der Schichtdickeneinfluss erheblich. Im Laborversuch wurden Schichtdicken von ca. 20 µm erzielt, welche sich durch Technologieoptimierungen weiter reduzieren lassen.

Die vollpolymeren dielektrischen Elastomeraktoren erzielten bei ihrer aktorischen Charakterisierung hervorragende Ergebnisse. Hierbei konnte nachgewiesen werden, dass eine Reduzierung der Schichtdicken sowie eine Herabsetzung des Elastizitätsmoduls der dielektrischen Schicht einen positiven Einfluss auf die aktorische Performance aufweist und somit den theoretischen Grundlagen der dielektrischen Elastomeraktoren folgt. Weiterhin zeichnen sich die hergestellten dielektrischen Elastomeraktoren durch eine sehr geringe Defektdichte aus, weshalb die Schichtaufbauten eine hohe Festigkeit von über 1 Million Zyklen ohne optische bzw. funktionsrelevante Beeinflussungen aufweisen.

Das dem Bericht zugrunde liegende FE-Vorhaben „CANDELA“ wurde im Auftrag des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 13 N 10660 durchgeführt.