離子聚合物金屬復合材料(IPMC)的制備及力-電耦合特性研究.pdf

1、離子聚合物金屬復合材料(Ionic Polymer Metal Composite,IPMC)是一種新型電致活性聚合物智能材料。IPMC具有變形大、密度小、應變能力強等特點,能夠模擬生物的肌肉組織、與肌肉組織有著相近的破壞極限和最大應變等,這些特性使得它被稱為“人工肌肉”,在仿生、醫(yī)療、航空和航天等領域具有廣泛的應用前景。本文針對IPMC制備工藝、力-電耦合機理等問題,開展了IPMC制備工藝優(yōu)化、基本性能測試以及力-電耦合建模等研究。<

2、br>　　主要研究工作和結果如下:
　　(1)在IPMC制備工藝研究方面:采用溶液-澆鑄法制備了無摻雜、碳納米管改性、鈦酸鋇改性等多種離子交換膜;采用溫度控制法制備了Pt型IPMC;采用速率控制法制備了Ag型IPMC。對制備試樣進行了表征,獲得了IPMC的微觀形貌特征、電極構型特點,以及電極構型與制備工藝之間的關系。
　　(2)在IPMC基本性能研究方面:研究了不同電極材料(Pt和Ag)、電極厚度以及改性填料對IPMC含水特

3、性的影響;靜態(tài)拉伸實驗結果表明:在IPMC中添加改性填料可提高IPMC的彈性模量2倍以上。
　　(3)在IPMC電學、傳感性能研究方面:測量了IPMC的阻抗特性并分析了IPMC電阻分布特點,研究了激勵場在IPMC內(nèi)部的分布規(guī)律;研究了Ag型IPMC的傳感能力,得到了Ag型IPMC傳感信號與頻率和變形曲率之間的對應關系。
　　(4)在IPMC致動性能研究方面:研究了不同試樣在直流和交變電場下的變形特性,結果表明:IPMC的變形

4、形式依據(jù)表面電阻分布特點,可以分為變彎矩變形和等彎矩變形兩種形式;研究了不同試樣在直流電場激勵下的力輸出特性,結果表明:添加改性材料的IPMC輸出力有明顯提高,最高可達8倍以上。
　　(5)在IPMC力-電耦合模型研究方面:根據(jù)IPMC變形為非理想均勻彎曲現(xiàn)象,提出了致動電場梯度的概念,在不可逆熱力學的基礎上將場強梯度引入IPMC的力-電轉換過程,建立IPMC場強梯度力-電耦合模型。建立的力-電耦合模型能較好預測IPMC的彎曲響應