电致动聚合物致动器材料及放大结构综述

为满足航天应用的需要,本文对EAP材料研究情况和它们典型的压电致动器放大结构发展趋势进行了综述。首先比较了干湿EAP材料的特性,提出了应用中需要注意的一些问题;其次,以典型的压电致动器放大结构为例,分析了其优缺点,强调了一些新颖的概念。最后指出,为克服航天应用中EAP致动器力和行程的限制,需要根据实际应用从材料和放大结构两方面展开深入研究。

Pt-Ni/Nafion膜电致动材料的制备及性能研究

采用渗透还原法制备了 Pt- Ni/ Nafion离子交换膜复合材料 ,还原出来的 Pt在 Nafion膜表面形成颗粒膜 ,在膜内部呈梯度分散 ;在 Pt颗粒膜外表面化学镀沉积 Ni作为电极层。在交变电场作用下 ,Pt- Ni/ Nafion离子交换膜复合材料的偏转角可达 2 5°。对影响复合材料的电致动性能的因素进行了分析 ,结果表明复合材料的变形幅度随电压上升而增大 ,当电场强弱频率变化较低时复合材料的形变较大 ;复合材料的电动性能还与其厚度有关 ,随着复合材料厚度 h的增加 ,顶端产生的应力δ与其成指数关系上升 ,δ与 h之间存在近似函数关系δ=3.96× 10 - 6 × h3。

电致动聚合物致动器的动态响应研究

采用电场型电致动聚合物——介电弹性体(DE)制作了一种圆形致动器,在交流电压和直流脉动电压驱动下,分别研究了电压波形、幅值和频率的位移响应情况.实验结果表明,当幅值和频率相同、波形不同时,DE薄膜的驱动位移相差较大,在方波、正弦波和三角波电压下,其驱动位移依次减小.随着频率的增高,驱动位移的递减速度依次增大.当电压波形相同时,位移随电压幅值的增加而增大,随频率的增高而减小,均呈非线性关系,并且直流脉动电压比交流电压的驱动过程稳定.对比双向预拉伸2×2、3×3、4×4倍的DE致动器电致动实验结果可知,预拉伸4×4倍的DE致动器所需的驱动电场强度比预拉伸2×2倍和3×3倍的DE致动器所需的驱动电场强度高,从变形过程的稳定性、响应速度以及稳定变形条件下DE致动器所能承受的频率来看,预拉伸4×4倍的DE致动器优于预拉伸2×2倍和3×3倍的DE致动器.

电致动驱动器的变形量研究

用红外光谱、扫描电镜表征了介电弹性体VHB4910在不同预拉伸条件下的结构和形貌;用能谱分析了柔性电极导电膏中元素的种类和数量;在优化条件下由VHB4910和柔性电极制备了电致动驱动器,测试了其应变响应特性,并在柔性电极中加入0.3%的银粉进行相关对比实验.研究表明:VHB4910经等轴预拉伸后,材料表面更均匀,应变效果更好;在加压5 kV时,未添加银粉的柔性电极制作的电致动驱动器能产生更大变形量,为149.8%,推测其与"量子隧道效应"有关.

离子聚合物金属复合材料电致动特性数值模拟

基于ANSYS参数化开发平台,通过编制龙格-库塔算法用户子程序求解离子浓度偏微分方程,采用温度场模型等效模拟水分子重新分布引起的机械变形,制定分析流程,对离子交换膜金属复合材料(IPMC)的电致动特性进行了数值模拟.研究了在外加电场作用下,Na+迁移运动规律与IPMC变形过程特征,通过结果比较证明了所提出方法的正确性.

电致动聚合物驱动的无阀微泵的设计与制作

提出了一种由电致动聚合物材料(DE)驱动的平面扩散/收缩管无阀微泵.通过分析扩散/收缩管的角度、长度、最小宽度等关键参数对微泵性能的影响,对无阀微泵的结构进行了设计.基于UV-LIGA工艺,将DE泵膜和SU-8泵体键合制作了无阀微泵的模型,并对DE泵膜结构进行了实验研究,确定了合理的结构形式,实现了微泵的单向泵送.在3 500 V、8 Hz直流正弦电压的作用下,无阀微泵的流量最大,为21.2μL/min,并且结构简单、易于密封、成本低.实验结果对电致动聚合物微泵进一步的科学研究和实际应用都具有较大的促进作用.

活性炭-离子液体凝胶电致动膜材料制备及性能研究

本文通过湿法涂膜和热压复合的方法,制备了基于活性炭-离子液体凝胶的电致动膜材料。使用电化学循环伏安法和原位激光位移传感器分别测定了不同活性炭含量对电致动膜材料的界面电容和电致动位移性能的影响。结果显示膜材料的界面电容和电致动位移性能随着活性炭含量增加而增加。

基于硅烷化石墨烯掺杂硅橡胶的聚合物电致动器

以有机锡为催化剂、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)为偶联剂,将端羟基-聚二甲基硅氧烷(HO-PDMS)接枝到氧化石墨烯(GO)的表面,制备了硅烷化氧化石墨烯(SGO)。红外光谱、拉曼光谱和X射线光电子能谱结果证明了HO-PDMS的成功接枝。通过扫描电子显微镜观测到SGO均匀分散在硅橡胶(PDMS)基体中,由此得介电常数和力学性能提升的SGO/PDMS复合膜。当添加10 phr SGO后,复合膜的相对介电常数达到3.076,较纯PDMS膜增加了40.7%。在复合膜两侧涂覆柔性PDMS/炭黑电极,制备了SGO/PDMS膜介电弹性体电致动器(DEP)。该致动器在4.71 V/μm(2 Hz)的低压电场下发生面外弯曲振动,中心偏转位移达到0.654 mm,折合膜形变率为5.42%,在文献已报道的同类产品中处于较高水平。

电致动聚合物智能材料分类及其特点

电致动聚合物(Electroactive Polymer,简称EAP)是一类新型的智能材料,国外对此类材料已开始了不少研究,国内研究则相对较少。本文主要介绍国外研究的不同类型电致动聚合物的变形机理及其性能特点,并比较了其优缺点,对其应用前景也进行了展望,以期对我国今后该类材料的研究和应用提供借鉴。

基于电致动材料的平面四杆机构实验平台

设计了一种基于电致动材料的四杆机构实验平台,使用该实验平台能够对四杆机构的轨迹问题进行实验。利用该实验平台能够得到四杆机构的实际轨迹,可以验证理论计算。完成使用电致动材料进行直线轨迹拟合实验,捕捉到实际轨迹,从而得到使用电致动材料对四杆机构的轨迹拟合问题有很大帮助。

纳米钛酸钡对介电弹性体材料机械性能的影响

介电弹性体致动器(DEAs)由于具有响应快、应变大、功耗低(mW级)和重量轻等优点,使其广泛应用于生物、医疗、探测等领域。本文使用了钛酸钡(BaTiO_(3))这一种高介电常数材料,将其掺入介电弹性体材料聚氨酯丙烯酸酯(CN9021NS)中以提高材料的介电常数,通过拉伸试验研究了不同BaTiO_(3)颗粒浓度对聚氨酯丙烯酸酯机械性能的影响。实验结果发现随着BaTiO_(3)颗粒浓度的增大,材料的杨氏模量也随之呈现出增大的趋势,当BaTiO_(3)颗粒浓度增大到一定范围时,其杨氏模量出现减小的趋势,但仍大于未掺加BaTiO_(3)颗粒的试样。

碳纳米管、石墨烯电极修饰的IPMC致动器的制备及性能

为降低IPMC的生产成本,采用低维纳米碳材料对IPMC铂电极进行修饰。用聚二烯二甲基氯化铵对碳纳米管和石墨烯进行带电修饰,并分散在甲醇中形成稳定的电解液,在已进行一次化学镀铂的Nafion膜上分别电泳沉积碳纳米管和石墨烯薄膜,制备新型IPMC。扫描电镜图片显示:碳纳米管和石墨烯均能成功沉积到膜的表面,且碳纳米管电极层更均匀致密,与铂层结合更紧密。驱动性能测试结果表明:碳纳米管修饰的IPMC致动性能优异,3.0V电压下最大输出位移为13.90mm,最大输出力为15.72mN,分别是同等条件下铂型IPMC的94%和77%,而石墨烯型IPMC最大输出位移和输出力分别是铂型IPMC的51%和40%。

磺酸化石墨烯掺杂的离子交换聚合物电致动器

合成了磺酸化石墨烯单分子膜,并按不同质量分数浇注了约200μm厚的石墨烯/全氟磺酸杂化膜,全反射衰减红外光谱验证了全部合成和掺杂过程;对影响杂化膜电致动性能的相关物理参数进行了测试。利用化学还原沉积技术在杂化膜两侧嵌入Pt纳米颗粒,制成石墨烯/全氟磺酸-金属复合材料,并进行了扫描电子显微镜观测。引入低频正弦电信号,得到聚合物电致动器,利用力和位移传感器测试其电致动性能。结果表明:石墨烯掺杂后,离子交换膜的柔韧性、离子交换能力、含水量均得到了一定程度的提高。金属Pt纳米电极表面平整;颗粒较精细、均匀;电极与基底膜结合紧密。杂化膜具有高度的电致形变性能;相同条件下,最大输出位移可增加2.38倍。

离子金属聚合物复合材料调节器的动态特性

离子金属聚合物复合物(IPMC)同时可以用来制作驱动元件和敏感元件,具有质量轻、驱动电压低的特点。介绍了一种IPMC特性的测试平台,通过激光传感器实现对条形IPMC端部变形的非接触测量,同时使用一套数据采集设备对驱动电压、电流、传感器的输出进行数据实时采集。对一种IPMC样品进行了研究,得到了浸润时间与活性之间的关系;对元件的动态特性进行了研究,使用实验数据对IPMC元件进行了建模,得到了一个近似的二阶系统表达式。

多孔Nafion膜离子聚合物金属复合材料的制备及性能

离子聚合物金属复合材料(IPMC)是一种新型人工肌肉材料。传统IPMC的含水率较低,其电致动性能较差。文中采用微粒浸析法,利用纳米四氧化三铁粒子成功制备了多孔Nafion膜。多孔Nafion膜含水率是普通Nafion膜的2.5~4.3倍,并且随着纳米粒子含量的增加,含水率不断增大。多孔Nafion膜IPMC的输出位移、应变能密度(能量转换效率)和稳定工作时间分别是普通Nafion膜IPMC的1.6~2.5倍、2.8~4.8倍和1.7~2.1倍。总之,Nafion膜中多孔结构的存在提高了IPMC的电致动性能。

离子聚合物-金属复合材料模糊PID控制方法研究

文章针对离子聚合物-金属复合材料(ionic polymer metal composite,IPMC)的松弛效应,将模糊控制与PID控制相结合设计了模糊PID控制器,实现了其PID的参数自整定功能;采用Matlab/Simulink分别对模糊PID控制系统和常规PID控制系统进行仿真,仿真结果表明,模糊PID控制系统响应时间为0.2 s,远小于常规PID控制系统的1.5 s,模糊PID控制系统的最大超调量比常规PID控制系统降低了74.5%,稳态误差降低了65.6%;采用STC51单片机对模糊PID控制系统和常规PID控制系统进行了IPMC末端输出位移控制实验,结果表明模糊PID控制系统的最大超调量比常规PID控制系统降低了77%,稳态误差降低了49%。该文设计的模糊PID控制系统对IPMC末端输出位移的控制效果比常规PID控制系统有了显著改进,对IPMC材料的应用具有较为重要的促进作用。

使用电-液致动器的倾摆控制系统的开发

为改进倾摆控制车辆的性能和乘坐舒适性,开发了下一代倾摆控制系统。该系统使用一位置测定系统、新型倾摆模式、高性能倾摆致动器以及其它新技术元件。使用该系统,运行中的列车位置根据全球定位系统信号通过曲率对照来测定,并计算倾摆角目标模式以优化乘坐舒适性评价指数。由此产生的模式被称为JT模式,倾摆致动器按该模式用电-液方式驱动。运行试验表明,该系统可减轻能够引起晕车的低频振动。

碳纳米管薄膜基人工肌肉致动器研究取得进展

中科院物理所／北京凝聚态物理国家实验室（筹）解思深研究组采用连续的碳纳米管薄膜作为电极层及力学增强体，用灌注了离子液体的天然聚合物凝胶作为电解质层，热压组装成三明治结构的电致动聚合物器件。对这样的悬臂梁式器件两电极层间施加一个交流电场，它就会发生快速的往复摆动。