高压放大器在电极涂覆器件功能化驱动中的关键角色

　　实验名称：水下电极涂覆器件功能化驱动

　　研究方向：随着3D打印技术的发展，出现了众多新型功能性材料的打印，包括柔性材料和特种工程塑料在内的新型耗材代表了新的发展潮流。虽然柔性材料在智能传感、柔性驱动上有着深入研究，但是往往其制作过程比较复杂，重复性设计多，因此需要3D打印来简化制作工艺并加快优化速度。特种工程塑料性能优异，但无法用常规3D打印机制作零部件，迄今国内外对特种塑料3D打印工艺成型方面的研究报道甚少。因此，本论文借鉴国内外相关先进技术，开发设计了一种高温3D打印机，可以实现柔性材料和特种工程塑料的打印，研究了柔性智能结构一体化打印工艺和PEEK内填充工艺，为实现功能性材料的打印应用提供参考。

　　(1)开展了3D打印柔性耗材(TPU)的挤出加工工艺实验，重点关注了挤出工艺中温度参数的影响。通过分析不同温度状态下的TPU耗材质量以及拉伸性能，发现随着温度上升，拉伸强度呈明显下降趋势，断裂延伸率随温度无明显变化，以此确定了确定适宜的挤出温度。

　　(2)结合介电弹性体驱动原理设计了软体机器鱼和软体抓手的结构形式，制定了3D打印一体化成型工艺，包括预拉伸、涂电极、3D打印、装电源这四个步骤。分别采用水下电极和空气电极的涂覆方式实现了器件的功能化驱动，其中软体机器鱼实现了3cm/s的稳定游动速度，软体抓手达到了10.1mN/g的抓取性能。

　　(3)设计了双腔台式高温3D打印机的主要结构，包括多用途打印头、移动机构、钣金外框架、辅助机构等结构组件。选用Corexy型移动机构和ChiTuPro控制板，PTC加热+热辐射灯相结合的加热系统，温度由独立的温度控制模块控制。对喷嘴出丝不流畅的问题进行了有限元模拟分析，得出实验条件下最佳0.4mm的喷嘴结构。

　　(4)对PEEK内填充工艺进行了探索，研究挤出温度、打印层厚、进料速度对打印制品内填充率的影响。实验结果表明:降低进料速度，在提高打印温度的情况下，可提高填充率，而对打印层厚影响不大，并以此确定了适宜的打印参数。这为以后产业化应用提供参考依据.

　　实验目的：验证水下电极涂覆器件功能化驱动

　　测试设备：信号发生器、ATA-7000系列高压放大器、3D打印材料

　　实验过程：ATA-7100高压放大器最大可将信号发生器产生的低压信号放大2000倍，最大输出电压为±10kVp，信号发生器经BNC线输入高压放大器进行放大，待3D打印完成后我们需要对软体鱼的游动状态进行测试，这里主要采用外置的高压电源（Aigtek7100）提供电压动力函数发生器提供电压波形，测试的设定参数为电压、波形和频率。值得注意的一点是连接线高压端需要保护起来，避免游动时与水接触，因此在软体鱼的高压线末端套上了硅胶薄膜和绝缘线，选择的高压线为细铜丝，尽量减少软体鱼在游动过程中的牵引线阻力。当软体鱼按照既定的游动轨迹游泳时，逐渐从０开始增加频率和电压，调整至较佳的运动水平。从实验效果来看，电压6kV，正弦波，频率5Hz，软体鱼的游动保持着稳定水平。

图1-1：实验流程框图

　　实验结果：如图所示，软体鱼游动效果良好，可以很好的进行前行，此次参数下的游动速度为３ｃｍ／Ｓ，也就是每秒１／4伸长的游动水平，达到了较佳的游动水平。当然这不是最快的速度，可加上的最高电压为１０ＫＶ，但是出现薄膜击穿导致失效的可能性增大，在低水平电压下驱动，软体鱼可以连续游动２ｈ以上，且形态不发生明显变化。本次测试的软体鱼与电源之间是通过细铜丝连接的，由于铜丝长度有限，因此游动的范围较小，如果能借住小型电源绑定在鱼的躯体上，那么可以实现高自由度的游动效果。

图1-2：软体鱼游动状态

　　产品推荐：ATA-7000系列高压放大器

图：ATA-7000系列高压放大器指标参数

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