© Fraunhofer IAP
© Fraunhofer IAP

Polymere und Elektronik

Elektroaktive Polymere

Die elekto-mechanische Kopplung in weichen Kondensatoren kann zu überraschend großen Deformationen führen. Dieser Umstand wird für aussichtsreiche neue Anwendungen genutzt, die als dielektrische Elastomeraktuatoren (DEA) und manchmal als »künstliche Muskeln« mit herausragenden Eigenschaften bekannt sind. Sie besitzen wegen ihres geringen Gewichts, ihrer Weichheit und ihrer über die angelegte Spannung kontrollierbaren Auslenkung ein weitreichendes Anwendungspotenzial, z. B. als Arm-Wrestling Roboter, miniaturisierte Pumpen, optische Justageeinheiten oder elektro-mechanische Schalter. Die Einfachheit des Prinzips gibt der Hoffnung Ausdruck, dass DEA-basierte Device noch breitere Anwendungen finden. Ein Haupthinderungsgrund für die breitere Nutzung der DEAs ist bis heute ihre hohe Schaltspannung, die bis zu einigen Kilovolt reichen kann.

Eine Verringerung der Schaltspannung kann prinzipiell durch eine höhere Permittivität und durch einen geringeren E-Modul der verwendeten Elastomere, sowie durch möglichst dünne Elastomerfilme erreicht werden. Der Dicke der Filme sind aus Gründen der Handhabung und der elektrischen Durchschlagsfestigkeit Grenzen gesetzt. In der Abteilung wurde ein neues Verfahren zur Permittivitätserhöhung von silikonbasierten Elastomeren entwickelt, das auf chemischer Modifizierung der Matrix auf molekularem Niveau beruht. Dazu werden geeignete organische Dipole kovalent an die Silikonmatrix gebunden. Dieses Verfahren verhindert eine nachträgliche Agglomeration der Dipole und führt zu homogenen Filmen. Die chemischen, thermischen, mechanischen und elektrischen Eigenschaften derartiger Filme wurden charakterisiert und mit denen der entsprechenden Basismaterialien verglichen. Die Ankopplung der Dipole führt einerseits zu eine deutlichen Erhöhung der Permittivität und andererseits zu einer Verringerung des E-Moduls der neuen Materialien. Durch diesen synergistischen Effekt kann die Aktuatordehnung um den Faktor 6 gegenüber bekannten Materialien verbessert werden.

Dieses Verfahren lässt sich auch auf andere Materialklassen übertragen.