Elektromechanische Kopplung in elektroaktiven Polymeren – eine visuelle Analyse des Tensorfeldes dritter Stufe

Elektroaktive Polymere werden häufig in technischen Anwendungen eingesetzt, da sie ihre Form und Eigenschaften unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes ändern können. Dieser Prozess funktioniert auch umgekehrt, so dass eine mechanische Verformung des Materials ein elektrisches Feld in der EAP-Vorrichtung erzeugt. Dieses spezifische Verhalten macht solche Materialien für die Konstruktion von Aktoren und Sensoren in verschiedenen Anwendungsbereichen sehr attraktiv. Das elektromechanische Verhalten von elektroaktiven Polymeren kann durch einen Kopplungstensor dritter Ordnung beschrieben werden, der die Empfindlichkeit der mechanischen Spannungen in Bezug auf das elektrische Feld darstellt, d. h. er stellt eine Beziehung zwischen einem Tensorfeld zweiter und erster Ordnung her. Aufgrund der Komplexität dieses Kopplungstensors und des Mangels an aussagekräftigen Visualisierungsmethoden für Tensoren dritter Ordnung im Allgemeinen, ist eine Interpretation des Tensors eher schwierig. Die zentrale ingenieurwissenschaftliche Fragestellung, mit der sich dieser Beitrag beschäftigt, ist daher ein tieferes Verständnis der elektromechanischen Kopplung durch die Analyse des Kopplungstensors dritter Ordnung mit Hilfe spezifischer Visualisierungsmethoden. Ausgehend von einer deviatorischen Zerlegung des Tensors werden die Multipole der einzelnen Deviatoren visualisiert, was einen ersten Einblick in diesen komplexen Tensor dritter Ordnung ermöglicht. Im vorliegenden Beitrag werden vier Beispiele mit elektromechanischer Kopplung simuliert und anschließend mit Hilfe der Tensordarstellung analysiert.

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