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Dielectric Elastomer Actuators (DEAs) are elastic parallel plate capacitors consisting of polymers as dielectric layer and compliant electrodes’. In dynamic applications with high frequencies DEAs heat up. In this work the heating is studied by experimental investigations as well as by modeling of the visco-elastic behavior of the polymer and the specific electric resistance of the electrode and of the polymer. The experimental investigations have also been performed, in order to obtain parameters for the material model. A partially coupled thermo-electro-mechanical material model is presented and used for the numerical simulations. The experimental and numerical results for the time-dependent thermal behavior show an excellent qualitative correlation. This confirms the quality of the developed multi-field model.

In der vorliegenden Dissertationsschrift wird ein thermo-elektro-mechanisches Modell zur Simulation des Verhaltens von dielektrischen Elastomeraktoren vorgestellt. Zur Beschreibung der elektrischen und thermischen Eigenschaften werden lineare Modelle verwendet. Ein isotropes viskohyperelastisches mechanisches Materialmodell wird auf Grundlage der Hyperelastizität nach Ogden und der Beschreibung viskosen Verhaltens mittels Prony-Reihen eingesetzt. Die elektromechanische Kopplung ist durch die elektrostatische Anziehungskraft geladener Elektroden begründet. Die verlustbehafteten Prozesse der elektromechanischen Energieumwandlung bzw. des Ladungstransports führen zu einer Verlustleistung, welche in Wärme umgewandelt wird. Auf diese Weise wird eine unidirektionale Kopplung zwischen dem elektromechanischen und dem thermischen Feld erreicht. Die entsprechenden Materialparameter wurden der Literatur entnommen oder von Daten experimenteller Untersuchungen abgeleitet, welche am Institut für Elektromechanische Konstruktion (EMK) der Technischen Universität Darmstadt durchgeführt wurden. Mittels der Finite-Elemente-Methode wurde das thermo-elektro-mechanischen Modell zur Simulation zweier Testgeometrien verwendet. Dabei wurde eine gute qualitative Übereinstimmungen zwischen den Ergebnissen der numerisch Simulation und den experimentellen Beobachtungen des EMK erreicht. Die Ursachen quantitativer Differenzen zwischen den experimentell ermittelten und den numerisch berechneten Temperaturen werden untersucht und diskutiert. Abgeleitet aus den Ergebnissen der numerischen Untersuchungen werden abschließend Vorschläge zu einer Verringerung der dissipationsbedingten Erwärmung unterbreitet. Diese Vorschläge sind durch konstruktive, beispielsweise geometrische oder materielle, Eigenschaften von DE-Aktoren begründet, oder können aufgrund der aktiven Anregung getroffen werden.

Dielectric elastomer actuators (DEAs) are compliant capacitors, which are able to transduce electrical into mechanical energy and vice versa. As they may be applied in different surrounding conditions and in applications with alternating excitations, it is necessary to investigate both, the thermal behavior and the in fluence of the temperature change during operation. Due to mechanical and electrical loss mechanisms during the energy transfer, the DEA is subjected to an intrinsic heating. In detail, the dielectric material, which has viscoelastic properties, shows a mechanical hysteresis under varying mechanical loads. This behavior leads to a viscoelastic loss of energy in the polymer layer, resulting in a heating of the structure. The non-ideal conduction of the electrode provokes a resistive loss when charging and discharging the electrode layer. Operation with frequencies in the kilohertz-range leads to remarkable local heat dissipation. The viscoelastic material behavior and the resistivity are assumed to be dependent on the temperature and/or on the strain of the material. By this, a back-coupling from the thermal field to the mechanical field or the electrical field is observed. In order to provide a thermal equilibrium, also the convective cooling { the structure is subjected to { has to be considered. Depending on the frequency and the type of electrical driving signal and mechanical load, viscoelastic and resistive heating provide different contributions during the dynamic process. In the present study we capture the described effects within our modeling approach. For a given dielectric elastomer actuator, numerical investigations are performed for a given electrical load.