Нелинейная деформация мягких электретов при изгибе и перспективы создания флексоэлектрического и поперечного пьезоэлектрического эффекта (d31)

Мягкие материалы с электромеханической связью важны для развития мягкой робототехники, гибкой и растяжимой электроники, устройств сбора энергии, датчиков и исполнительных устройств. По-настоящему мягкие природные пьезоэлектрические материалы практически не встречаются, а типичные диэлектрические эластомеры, работа которых основана на электрострикции и эффекте напряжений Максвелла, обеспечивают лишь одностороннюю электромеханическую связь. Однако многочисленные исследования показали, что мягкие электреты — материалы с внедрёнными неподвижными зарядами и диполями — можно искусственно создавать так, чтобы они проявляли выраженный эффект, сходный с пьезоэлектрическим. К сожалению, этот эффект, каким бы значительным он ни был, в основном ограничивается продольной электромеханической связью, характеризуемой коэффициентом пьезоэлектричества d33. В отличие от неё, поперечный пьезоэлектрический эффект (коэффициент d31) выражен слабо. Это различие имеет важные последствия: при изгибе мягкие электреты практически не обеспечивают электромеханической связи. Поэтому обычно создаваемые мягкие электреты в значительной степени непригодны для сбора энергии, а также для приведения в действие и регистрации изгибных перемещений, имеющих ключевое значение, например, в мягкой робототехнике. В этой работе мы анализируем нелинейную деформацию мягкой электретной структуры при изгибе и определяем конкретные условия возникновения выраженного пьезоэлектрического отклика. Кроме того, мы показываем, что неоднородное распределение диполей и зарядов в мягких электретах приводит к наблюдаемому электромеханическому отклику, который можно неоднозначно и взаимозаменяемо интерпретировать как поперечный пьезоэлектрический эффект или флексоэлектричество. Мы предлагаем практические способы создания мягких электретов с высоким поперечным пьезоэлектрическим коэффициентом d31 и высоким коэффициентом флексоэлектричества. Наконец, мы показываем, что в правильно сконструированном мягком электретe даже однородное внешнее электрическое поле может вызывать изгиб структуры, что позволяет использовать её в качестве изгибного привода.