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Dielectric Behaviour of Acrylic and Natural Rubber Dielectric Elastomers: Combined Effects of Frequency, Temperature and Mechanical Pre-stretch

यह अध्ययन इस बात की जांच करता है कि आवृत्ति, तापमान और यांत्रिक प्री-स्ट्रेच (mechanical pre-stretch) कैसे एक साथ एक्रिलिक (VHB 4910) और प्राकृतिक रबर (Oppoband 8001) इलास्टोमर्स के परावैद्युत स्थिरांकों (dielectric constants) को प्रभावित करते हैं, जो यह प्रकट करता है कि एक्रिलिक संस्करण अपने ध्रुवीय बैकबोन (polar backbone) के कारण इन कारकों के प्रति काफी अधिक संवेदनशीलता प्रदर्शित करता है, जिससे सॉफ्ट रोबोटिक अनुप्रयोगों के लिए सामग्री चयन को अनुकूलित करने हेतु महत्वपूर्ण डेटा प्राप्त होता है।

मूल लेखक: Ajeet Kumar, Anjani Kumar, Abhishek Kumar Shukla, Md Shamim Shah

प्रकाशित 2026-09-09

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Ajeet Kumar, Anjani Kumar, Abhishek Kumar Shukla, Md Shamim Shah

मूल पेपर CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ मशीनें जीवित ऊतकों की तरह कोमल और तरल गति के साथ चल सकती हैं। यह सॉफ्ट रोबोटिक्स का वादा है, एक ऐसा क्षेत्र जो कृत्रिम मांसपेशियों और नाजुक ग्रिपर्स (पकड़ने वाले यंत्रों) को कठोर धातु से नहीं, बल्कि लचीले, रबर जैसे पदार्थों से बनाने की कोशिश करता है। इस तकनीक के केंद्र में इलेक्ट्रोएक्टिव पॉलिमर के रूप में जाने जाने वाले प्लास्टिक का एक विशेष वर्ग है। ये स्मार्ट सामग्रियां हैं जो विद्युत क्षेत्र (इलेक्ट्रिक फील्ड) लागू होने पर अपना आकार बदल लेती हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक मांसपेशी सिकुड़ती है। इन सामग्रियों के प्रभावी ढंग से काम करने के लिए, उन्हें विद्युत ऊर्जा को कुशलतापूर्वक संग्रहीत और मुक्त करने में सक्षम होना चाहिए। इस क्षमता को 'डाइइलेक्ट्रिक कांस्टेंट' नामक गुण द्वारा मापा जाता है, जो मूल रूप से हमें यह बताता है कि सामग्री विद्युत आवेश को कितनी अच्छी तरह धारण कर सकती है। हालाँकि, यह गुण स्थिर नहीं है; यह इस बात पर निर्भर करता है कि सामग्री कितनी गर्म या ठंडी है, बिजली के बदलने की गति कितनी तेज़ है, और सामग्री को कितना खींचा जा रहा है। इन कारकों के बीच के सटीक तालमेल को समझना उन इंजीनियरों के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है जो विश्वसनीय सॉफ्ट रोबोट बनाना चाहते हैं जो वास्तविक दुनिया में काम कर सकें, जहाँ स्थितियाँ शायद ही कभी आदर्श या स्थिर होती हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने दो बहुत ही अलग प्रकार के रबर जैसे पदार्थों में इन बदलते व्यवहारों का मानचित्रण करने का लक्ष्य रखा। एक एक्रिलिक-आधारित टेप था जिसे VHB 4910 कहा जाता है, जो एक ध्रुवीय (पोलर) सामग्री है जिसका रासायनिक ढांचा इसे बिजली के प्रति बहुत संवेदनशील बनाता है। दूसरा एक प्राकृतिक रबर बैंड था जिसे Oppoband 8001 कहा जाता है, जो एक गैर-ध्रुवीय हाइड्रोकार्बन सामग्री है जो विद्युत क्षेत्रों के प्रति बहुत कम संवेदनशील है। वैज्ञानिक यह देखना चाहते थे कि जब वे दोनों सामग्रियों को एक साथ विभिन्न परिस्थितियों की एक विस्तृत श्रृंखला के अधीन करते हैं तो क्या होता है। उन्होंने सामग्रियों का परीक्षण माइनस 80 डिग्री सेल्सियस की अत्यधिक ठंड से लेकर 60 डिग्री सेल्सियस की गर्मी तक के तापमान स्पेक्ट्रम में किया। उन्होंने विद्युत संकेत की गति को एक सेकंड में एक चक्र से लेकर एक सेकंड में दस लाख चक्रों तक भी बदला। अंत में, उन्होंने भौतिक रूप से सामग्रियों को विभिन्न दिशाओं में खींचा, तनाव के विभिन्न स्तरों तक खींचकर यह देखने के लिए कि खिंचाव की क्रिया स्वयं उनके विद्युत स्वभाव को कैसे बदल देती है।

परिणामों ने स्पष्ट किया कि इन सामग्रियों के व्यवहार में एक स्पष्ट पैटर्न है। जैसे-जैसे विद्युत संकेत की आवृत्ति (फ्रीक्वेंसी) बढ़ी, दोनों सामग्रियों की आवेश धारण करने की क्षमता कम हो गई। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि सामग्री के भीतर के सूक्ष्म आणविक द्विध्रुव (डाइपोल), जो छोटे चुंबकों की तरह कार्य करते हैं और विद्युत क्षेत्र के साथ संरेखित होने की कोशिश करते हैं, जब क्षेत्र बहुत तेज़ी से बदलता है तो वे तालमेल नहीं बिठा पाते। प्राकृतिक रबर की तुलना में एक्रिलिक सामग्री ने बढ़ती गति के साथ प्रदर्शन में बहुत अधिक गिरावट दिखाई, जिसका कारण यह है कि एक्रिलिक में कई अधिक ध्रुवीय समूह होते हैं जिन्हें तेज़ी से पुनर्गठित करने में संघर्ष करना पड़ता है। तापमान ने भी समान रूप से नाटकीय भूमिका निभाई। एक्रिलिक सामग्री के लिए, आवेश संग्रहीत करने की क्षमता 0 डिग्री सेल्सियस पर चरम पर थी। इस बिंदु से नीचे, सामग्री बहुत सख्त और कांच जैसी (ग्लासी) हो गई जिससे आणविक द्विध्रुव स्वतंत्र रूप से घूम नहीं सके, जिसके कारण प्रदर्शन तेजी से गिर गया। इस बिंदु से ऊपर, गर्मी के कारण अणु इतने अनियंत्रित रूप से हिले कि वे विद्युत क्षेत्र के साथ सफाई से संरेखित नहीं हो सके, जिससे प्रदर्शन फिर से कम हो गया। प्राकृतिक रबर ने अलग तरह से व्यवहार किया; यह एक बहुत व्यापक तापमान सीमा में अपेक्षाकृत स्थिर रहा, और केवल तभी महत्वपूर्ण परिवर्तन दिखाए जब यह अपने स्वयं के हिमांक माइनस 68 डिग्री सेल्सियस के करीब पहुँचा।

शायद सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्ष सामग्रियों के यांत्रिक खिंचाव से संबंधित था। जब शोधकर्ताओं ने रबर बैंड को खींचा, तो दोनों मामलों में आवेश संग्रहीत करने की क्षमता गिर गई, लेकिन परिवर्तन का परिमाण काफी अलग था। एक्रिलिक सामग्री के लिए, इसे शिथिल अवस्था से उच्च तनाव तक खींचने से इसकी आवेश संग्रहीत करने की क्षमता 32 प्रतिशत से अधिक गिर गई। इसके विपरीत, समान खिंचाव की स्थितियों के तहत प्राकृतिक रबर में केवल लगभग 14 प्रतिशत की गिरावट देखी गई। शोधकर्ताओं ने समझाया कि एक्रिलिक सामग्री को खींचने से इसके लंबे आणविक श्रृंखलाओं को एक विशिष्ट दिशा में संरेखित करने के लिए मजबूर किया जाता है, जो भौतिक रूप से ध्रुवीय समूहों को घूमने और विद्युत क्षेत्र के प्रति प्रतिक्रिया करने से रोकता है। प्राकृतिक रबर, जिसमें ऐसे मजबूत ध्रुवीय समूह नहीं होते, इस संरेखण से कम प्रभावित होता है। इसके अतिरिक्त, प्राकृतिक रबर एक प्रक्रिया से गुजरता है जहाँ खिंचाव के कारण यह थोड़ा क्रिस्टलीय (क्रिस्टलाइन) हो जाता है, जो इसके विद्युत प्रतिक्रिया को और कम कर देता है, लेकिन यह प्रभाव एक्रिलिक में देखी गई बाधा की तुलना में बहुत कम स्पष्ट है।

ये निष्कर्ष किसी विशिष्ट कार्य के लिए सही सामग्री चुनने के लिए एक व्यावहारिक मार्गदर्शिका प्रदान करते हैं। यदि किसी अनुप्रयोग के लिए अधिकतम विद्युत संवेदनशीलता की आवश्यकता है और वह शून्य डिग्री के आसपास एक संकीली, आरामदायक तापमान सीमा में संचालित होगा, तो एक्रिलिक सामग्री श्रेष्ठ विकल्प है, भले ही वह खिंचाव के प्रति संवेदनशील हो। हालाँकि, यदि किसी उपकरण को तापमान की एक विशाल सीमा में कार्य करने की आवश्यकता है, जो अत्यधिक ठंड से लेकर गर्मी तक हो, और उसे खिंचाव के दौरान भी निरंतर प्रदर्शन बनाए रखना है, तो प्राकृतिक रबर बेहतर उम्मीदवार है। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि सभी सॉफ्ट रोबोटिक्स अनुप्रयोगों के लिए कोई एक "सर्वश्रेष्ठ" सामग्री नहीं है; इसके बजाय, चुनाव पूरी तरह से उन विशिष्ट पर्यावरणीय और यांत्रिक मांगों पर निर्भर करता है जिनका सामना उपकरण को करना पड़ेगा। इन परिचालन सीमाओं को परिभाषित करके, यह शोध इंजीनियरों को अधिक मजबूत और कुशल सॉफ्ट मशीनों को डिजाइन करने में मदद करता है जो वास्तविक दुनिया की जटिल परिस्थितियों में फल-फूल सकें।

तकनीकी सारांश: एक्रिलिक और प्राकृतिक रबर डाइइलेक्ट्रिक इलास्टोमर्स का डाइइलेक्ट्रिक व्यवहार

समस्या विवरण
डाइइलेक्ट्रिक इलास्टोमर्स (DEs), इलेक्ट्रोएक्टिव पॉलीमर (EAP) एक्चुएटर्स, सेंसर और जनरेटर में महत्वपूर्ण घटक हैं, जहाँ उनका प्रदर्शन डाइइलेक्ट्रिक स्थिरांक ( $\varepsilon_r$ ) द्वारा नियंत्रित होता है। जबकि यह ज्ञात है कि डाइइलेक्ट्रिक स्थिरांक आवृत्ति, तापमान और मैकेनिकल प्री-स्ट्रेच जैसे परिचालन मापदंडों के प्रति संवेदनशील है, मौजूदा साहित्य अक्सर इन कारकों का अलग-अलग अध्ययन करता है या व्यापक तुलनात्मक डेटा की कमी रखता है। विशेष रूप से, ध्रुवीय (polar) एक्रिलिक इलास्टोमर्स और गैर-ध्रुवीय (non-polar) प्राकृतिक रबर पर तापमान, आवृत्ति और मैकेनिकल प्री-स्ट्रेच के संयुक्त प्रभावों की समझ में एक अंतराल है। इसके अलावा, पिछले अध्ययनों ने इलेक्ट्रोड प्रकारों और परीक्षण स्थितियों के आधार पर डाइइलेक्ट्रिक स्थिरांक (जैसे, VHB 4910 के लिए) के असंगत मान दर्ज किए हैं, जिससे सॉफ्ट रोबोटिक्स और ऊर्जा संचयन अनुप्रयोगों के लिए विश्वसनीय परिचालन सीमाओं को परिभाषित करने हेतु एक व्यवस्थित जांच की आवश्यकता उत्पन्न हुई है।

कार्यप्रणाली
इस अध्ययन में दो अलग-अलग डाइइलेक्ट्रिक इलास्टोमर्स का तुलनात्मक प्रयोगात्मक विश्लेषण किया गया:

VHB 4910: एक ध्रुवीय एक्रिलिक-आधारित इलास्टोमर (3M) जिसकी मोटाई 1 mm है।
Oppoband 8001: एक गैर-ध्रुवीय प्राकृतिक रबर (लेटेक्स) फिटनेस बैंड जिसकी मोटाई 150 μm है।

प्रयोगात्मक सेटअप:

इलेक्ट्रोड्स: दोनों फिल्मों के दोनों ओर कार्बन कंडक्टिव ग्रीस (MG Chemicals) लगाया गया, जिसके बाद निरंतर संपर्क सुनिश्चित करने के लिए गोल्ड-प्लेटेड कॉपर सर्कुलर इलेक्ट्रोड्स (20 mm व्यास) का उपयोग किया गया।
विकृति (Deformation): नमूनों को एक कस्टम-निर्मित स्ट्रेचिंग डिवाइस का उपयोग करके $\lambda_1 \times \lambda_2 = 1\times2$ से $3\times4$ तक के बायएक्सियल प्री-स्ट्रेच अवस्थाओं के अधीन किया गया। व्यापक प्रयोगात्मक डिजाइन में यूनिएक्सियल और प्योर-शेयर मोड भी शामिल थे।
स्थितियाँ: माप 1 Hz से 1 MHz के आवृत्ति स्पेक्ट्रम में लिए गए। VHB 4910 के लिए तापमान सीमा $-60^\circ\text{C}$ से $60^\circ\text{C}$ थी, जबकि Oppoband 8001 का मूल्यांकन $-80^\circ\text{C}$ से $60^\circ\text{C}$ के व्यापक स्पेक्ट्रम में किया गया।
उपकरण: 1 V बायस वोल्टेज के साथ एक Novocontrol Spectroscopy Alpha Analyser का उपयोग किया गया। डेटा को WinDETA सॉफ्टवेयर का उपयोग करके प्रोसेस किया गया।
विश्लेषण: डायनेमिक मैकेनिकल एनालिसिस (DMA) के माध्यम से डैम्पिंग फैक्टर ( $\tan \delta$ ) के शिखर की पहचान करके ग्लास ट्रांजिशन तापमान ( $T_g$ ) निर्धारित किया गया। प्रायोगिक डेटा को डेबाई मॉडल (Debye model) और एक संयुक्त प्री-स्ट्रेच-तापमान अभिव्यक्ति (समीकरण 5) में फिट किया गया ताकि फेनोमेनोलॉजिकल स्थिरांक प्राप्त किए जा सकें।

प्रमुख परिणाम

आवृत्ति निर्भरता: दोनों सामग्रियों के लिए, डाइइलेक्ट्रिक स्थिरांक आवृत्ति बढ़ने के साथ कम हुआ क्योंकि डाइइलेक्ट्रिक रिलैक्सेशन (relaxation) हुआ। VHB 4910 में Oppoband 8001 की तुलना में अधिक महत्वपूर्ण गिरावट देखी गई, जिसका कारण इसके ध्रुवीय एक्रिलेट साइड ग्रुप्स (विशेष रूप से $\beta$ -रिलैक्सेशन) का डाइपोल रिलैक्सेशन है। Oppoband 8001 ने आवृत्ति के साथ नगण्य लॉस टेंगेंट वृद्धि दिखाई, जो इसके गैर-ध्रुवीय हाइड्रोकार्बन बैकबोन के अनुरूप है।
तापमान निर्भरता:
- VHB 4910: डाइइलेक्ट्रिक स्थिरांक $0^\circ\text{C}$ पर चरम (peak) पर था। इस तापमान से नीचे, सामग्री के ग्लास अवस्था ( $T_g = -42^\circ\text{C}$ ) के करीब पहुँचने पर यह कम हो गया, जिससे डाइपोल मोबिलिटी बाधित हुई। $0^\circ\text{C}$ से ऊपर, बढ़ी हुई थर्मल ऊर्जा ने रैंडम डाइपोल मोशन को बढ़ाया, जिससे कम आवृत्तियों पर संरेखण (alignment) कम हुआ और डाइइलेक्ट्रिक स्थिरांक घट गया।
- Oppoband 8001: इसने एक अलग प्रवृत्ति दिखाई, जिसमें $T_g$ ( $-68^\circ\text{C}$ ) के ऊपर तापमान बढ़ने के साथ डाइइलेक्ट्रिक स्थिरांक बढ़ा, और उच्च तापमान पर घटने लगा। हालांकि, 1000 Hz से ऊपर उच्च आवृत्तियों के लिए, तापमान बढ़ने के साथ डाइइलेक्ट्रिक स्थिरांक निरंतर कम हुआ, क्योंकि डाइपोल की थर्मल मोबिलिटी बढ़ती है, जो डाइपोल पोलराइजेशन को बाधित करती है। सामग्री ने अपने डाइइलेक्ट्रिक स्थिरांक में VHB की तुलना में अधिक थर्मल स्थिरता प्रदर्शित की।
प्री-स्ट्रेच निर्भरता: बढ़ते बायएक्सियल प्री-स्ट्रेच उत्पाद ( $\lambda_1 \times \lambda_2$ $λ_{1} \times λ_{2}$ ) के साथ दोनों सामग्रियों के लिए डाइइलेक्ट्रिक स्थिरांक में लगातार कमी आई।
- VHB 4910: $0^\circ\text{C}$ पर, स्ट्रेच $1\times2$ से $3\times4$ तक बढ़ने पर डाइइलेक्ट्रिक स्थिरांक 6.27 से घटकर 4.23 (32.53% की कमी) हो गया। यह संवेदनशीलता पॉलीमर चेन के संरेखण के कारण ध्रुवीय डाइपोल के स्थिरीकरण (immobilization) के कारण है।
- Oppoband 8001: समान स्ट्रेच रेंज में कमी काफी कम थी, जो 2.60 से घटकर 2.23 (14.23% की कमी) हुई। यह इसके गैर-ध्रुवीय स्वभाव और स्ट्रेन-इंड्यूस्ड क्रिस्टलाइजेशन के कारण है, जो प्रभावी डाइइलेक्ट्रिक स्थिरांक को कम करता है।
डाइइलेक्ट्रिक लॉस: दोनों सामग्रियों के लिए प्री-स्ट्रेच बढ़ने के साथ डाइइलेक्ट्रिक लॉस कम हुआ। VHB 4910 ने अपनी उच्च प्रारंभिक ध्रुवीयता के कारण Oppoband 8001 की तुलना में लॉस में अधिक तीव्र गिरावट दिखाई।

मॉडलिंग और मात्रात्मक निष्कर्ष
अध्ययन ने डेटा को एक संयुक्त मॉडल $\varepsilon(\lambda, T) = a(\lambda_1, \lambda_2) + \frac{b}{T} + c$ में फिट किया।

इलेक्ट्रोस्ट्रिक्शन स्थिरांक ( $a$ ): VHB 4910 ( $a = -0.0410$ ) ने Oppoband 8001 ( $a = -0.0265$ ) की तुलना में प्री-स्ट्रेच के साथ अधिक तीव्र गिरावट दिखाई।
तापमान गुणांक ( $b$ ): VHB 4910 ( $b = 603$ ) ने Oppoband 8001 ( $b = 452$ ) की तुलना में अधिक मजबूत थर्मल निर्भरता प्रदर्शित की।
बेसलाइन परमिटिविटी ( $c$ ): VHB 4910 ( $c = 3.610$ ) का मान Oppoband 8001 ( $c = 1.529$ ) की तुलना में काफी अधिक था, जो एक्रिलिक इलास्टोमर्स की उच्च ध्रुवीयता को दर्शाता है।
मॉडल ने संकेत दिया कि तापमान और प्री-स्ट्रेच के योगदान परीक्षण की गई श्रेणियों में युग्मित (coupled) होने के बजाय योगात्मक (additive) हैं।

महत्व और दावे
यह शोध दावा करता है कि यह अध्ययन मैकेनिकल, थर्मल और इलेक्ट्रिकल लोडिंग के तहत इन दो इलास्टोमर्स की परिचालन सीमाओं को परिभाषित करने वाले डेटा का एक व्यापक भंडार प्रदान करता है।

सामग्री चयन: परिणाम बताते हैं कि VHB 4910 उन अनुप्रयोगों के लिए इष्टतम है जिनमें एक संकीर्ण, परिवेशी तापमान बैंड (विशेष रूप से $-20^\circ\text{C}$ से $20^\circ\text{C}$ ) के भीतर अधिकतम परमिटिविटी की आवश्यकता होती है, जहाँ उच्च परमिटिविटी स्वीकार्य डिसिपेशन के साथ मेल खाती है।
थर्मल स्थिरता: Oppoband 8001 को एक विस्तृत रेंज ( $-80^\circ\text{C}$ से $40^\circ\text{C}$ ) में थर्मल स्थिरता वाले अनुप्रयोगों के लिए बेहतर विकल्प के रूप में पहचाना गया है, जो $60^\circ\text{C}$ तक स्थिर परमिटिविटी (6% से कम परिवर्तन) और नगण्य लॉस टेंगेंट प्रदान करता है।
वैज्ञानिक योगदान: यह अध्ययन डाइइलेक्ट्रिक स्थिरांक पर प्री-स्ट्रेच, तापमान और आवृत्ति के एक साथ प्रभाव के परीक्षण में अग्रणी है, जो एक फेनोमेनोलॉजिकल विवरण (समीकरण 5) प्रदान करता है जो सॉफ्ट एक्चुएटर्स, कृत्रिम मांसपेशियों और ऊर्जा संचायकों के लिए लचीले कंस्ट्रिट्यूटिव मॉडल (constitutive models) के डिजाइन में सहायता करता है।

लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि जबकि तापमान और प्री-स्ट्रेच के संयुक्त प्रभाव स्ट्रेन-इंड्यूस्ड क्रिस्टलाइजेशन और डाइपोल संरेखण से जुड़े हैं, ध्रुवीय एक्रिलिक और गैर-ध्रुवीय प्राकृतिक रबर की विशिष्ट आणविक संरचनाएं काफी भिन्न डाइइलेक्ट्रिक व्यवहार का परिणाम देती हैं, जिसके लिए सामग्री-विशिष्ट चयन मानदंडों की आवश्यकता होती है।

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