摘 要

一些光敏软材料在受到特定频率的光子作用时会产生相应的大变形。由于光敏软材料的这一特性，在智能仿生、机器人、航天航空等领域具有巨大的应用潜力。有关光敏软材料的光驱动特性及变形行为的控制已成为国内外科研工作者研究的热点。

本文以没有特殊光学效应的介电弹性体为研究对象，分析其在光波作用下的变形行为。首先基于经典电磁理论的洛伦兹定律推导光力方程，引入一无量纲参数论证光致柔性介电弹性体大变形的可行性；根据光的电动力学和弹性体的非线性力学理论建立光力作用下介电弹性体产生大变形的控制方程；应用所推导的控制方程和Neo-Hookean弹性能模型，分析了不同载荷状态下介电弹性体薄膜的光力特征和光致变形的影响因素，分别研究了自由介电弹性体薄膜、预拉伸介电弹性体薄膜和预拉伸与机械力共同作用下介电弹性体薄膜在激光作用下的应力状态和光致变形行为，分析了环境介质光学参数对计算结果的影响，探讨了预拉伸与机械力共同作用下全透射状态介电弹性体薄膜在光力作用下的的失稳现象和稳定的极大光致变形。本文的分析结果可为光致变形介电弹性材料作动器、传感器、振动器等的设计提供理论指导。

关键字：介电弹性体；光力；光致变形；大变形；光-力失稳

在FGM制备过程中，容易产生缺陷。本文以Ti-Cu-W梯度飞片为研究对象，采用数值模拟研究方式，探测了其界面层厚度。

Abstract

在FGM制备过程中，容易产生缺陷。本文以Ti-Cu-W梯度飞片为研究对象，采用数值模拟研究方式，探测了其界面层厚度。

Some optical sensitive soft materials can undergo large deformation when receiving photons with certain frequencies. Because of such properties, these materials have great potential applications in the field of intelligent bionic, robot, aerospace and so on. The control of the light driven properties and deformation behavior of the optical sensitive soft materials has become the current research focus across the world.

This work focuses on the dielectric elastomers with no special optical effects and their deformation behavior under the action of light. We first derived the optical force equation based on the Lorentz law of classical electrodynamics. A dimensionless parameter was proposed to prove and expound the possibility of the large deformation of dielectric elastomers induced by light. The governing equations for the large deformation of the dielectric elastomers under the optical force were developed by combining the nonlinear mechanics of elasticity and the electrodynamics of light. Then the governing equations and Neo-Hookean model were applied to analyze the properties of optical force and the influence factors of light induced deformation. The stress state and light induced deformation of a dielectrics elastomer membrane under the action of lasers were analyzed, and the effects of prestretching and the external force were discussed. The influences of optical parameters of the external medium on the calculation results were also analyzed. The instability and the maximum steady deformation of a membrane under the light force were estimated under the action of prestretching and external force for the full transmission state. These results can provide theoretical guidance for the designation of devices made by soft materials, such as actuators, sensors, and vibrators.

综合分析实验数据，表面波和底波的时间差基本相同，为4.2e-6。模型总厚度为10mm。通过与理论值的对比分析看，LS-DYNA能很好地捕捉到波的传播特性，对界面层厚度测量准确。

Keyword: Dielectric elastomers; Optical force; Light induced deformation; Large deformation; Optomechanical instability

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 软物质与介电弹性体概述 1

1.1.2 光力的概念 1

1.2 国内外研究进展 2

1.3 本文研究目的与主要内容 2

第2章 光力方程与光致变形基本理论 4

2.1 光力方程 4

2.2光力量级分析 6

2.3 光致变形理论 8

2.4 本章小结 8

第3章 光致介电弹性体薄膜变形分析 10

3.1 光致介电弹性体薄膜变形基本方程 10

3.2 全反射光力 12

3.3薄膜光学参数影响分析 13

3.3.1薄膜的光学参数与环境介质一致 13

3.3.2薄膜的光学参数与环境介质不同 16

3.4 本章小结 19

第4章 预拉伸对介电弹性体薄膜光致变形的影响 20

4.1 考虑预拉伸的光致变形控制方程 20

4.2 薄膜光学参数影响分析 22

4.2.1薄膜的光学参数与环境介质一致 22

4.2.2 薄膜的光学参数与环境介质不同 25

4.3本章小结 26

第5章 光、力共同作用下介电弹性体薄膜变形分析 27

5.1 光、力共同作用下介电弹性体薄膜光致变形控制方程 27

5.2 薄膜光学参数与环境介质一致 29

5.2.1光致变形分析 29

5.2.2失稳分析 30

5.2.3稳定的光致极大变形 31

5.3薄膜光学参数与环境介质不同 33

5.4 本章小结 34

第6章 总结与展望 36

6.1总结 36

6.2展望 36

参考文献 38

致 谢 40

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 软物质与介电弹性体概述

长期以来，科学工作者大多致力于工程领域被广泛使用的硬物质材料的研究，然而，在自然界中，动、植物的组织结构通常是由软质材料构成。不同于普遍使用的金属、陶瓷等“硬质材料”，高分子类聚合物是典型的“软质材料”^[1]。软质材料受到外界的刺激（如力、热、电场、磁场、化学场等等）能产生相应程度的形变，表现出活性。与传统硬质材料不同，软质材料具有优良的生物相容性、可承受大变形、轻质廉价等特点。利用软质材料制造器件具有广阔的潜在应用前景，大到石油开采密封，小到生物体药物释放，在机械、军工、生物、医学、智能仿生等领域体现出巨大潜力。现有的理论实验已经证实其变形能力和驱动力与生物肌肉很接近，已经成为设计开发机器人的重要材料，在模拟生物特征方面也有着无与伦比的特性。