TEOS-GO掺杂的银基离子聚合物金属复合材料的制备及其致动性能

离子聚合物金属复合材料(IPMC)是一种新型的电驱动软材料,具有质量轻、驱动电压低的优点,但也存在输出力较小、驱动时间短的缺点,限制了其应用前景。提出了一种在基膜内掺杂硅酸乙酯-氧化石墨烯(TEOS-GO)以提高保水性和驱动能力的银基IPMC,通过对纯Nafion IPMC与TEOS-GO/Nafion IPMC致动器的含水量、尖端位移、输出力和稳定性等参数的测试,证实优化后IPMC的驱动性能有明显的提升。实验结果表明,掺杂质量分数1.5%TEOS-GO的IPMC在3 V直流电压下,尖端位移达到16.579 mm,相当于纯Nafion IPMC的3.37倍;输出力最高达到0.439 gf(1 gf=9.8 mN),是纯Nafion IPMC的5倍。这种改进方式弥补了IPMC用于致动器的缺点,为今后的发展开拓了前景。

基于CMWCNT/Nafion的增强型离子聚合物金属复合材料的制备及致动性能

离子聚合物金属复合材料(IPMC)是一种新型的电活性材料,具有体积小、质量轻、驱动电压低等优点,但驱动力小、稳定工作时间短等问题限制着其柔性致动性能。提出了一种基于银基IPMC的增强型致动器,通过在IPMC的基底聚合物中掺杂羧基化多壁碳纳米管(CMWCNT),来提高IPMC的整体机械性能和致动性能。其中,掺杂质量分数0.5%CMWCNT的IPMC的最大尖端位移和驱动力分别增加至未优化银基IPMC的1.60倍与2.32倍,该性能的提升归因于CMWCNT良好的导电性和羧基对水合阳离子迁移的加速作用。与未优化的银基IPMC相比,掺杂质量分数0.5%CMWCNT时IPMC驱动速率可提升至3.57倍。研究结果可为IPMC在各领域的应用发展提供参考。

一种离子交换树脂金属复合材料（IPMC）的力学参数测定

对一种新型的人工肌肉材料——离子交换树脂金属复合材料（IPMC）的力学性能参数进行了测试研究。进行了精密拉伸实验,测定了其弹性模量E和泊松比υ,确定了其本构关系,证实了其具有各向同性特性。测试研究为开展IPMC人工肌肉和其应用研究提供了参考数据。

离子聚合物金属复合材料电致动模型研究

离子聚合物金属复合材料(ionic polymer-metal composites,IPMC)是一种新型电致形变高分子材料,具有广阔应用前景。为了有效描述IPMC的形变规律,基于IPMC致动原理提出了一种电致动模型。建立了阶梯电压下IPMC膜内水合阳离子的力平衡方程,由水合阳离子的浓度分布及水分子的扩散计算得出水分子的浓度以及含水量分布,结合实验所确定的含水量和应变的关系从而确定IPMC沿厚度方向的应变分布。该计算方法适用于不同形状的IPMC致动器。以悬臂梁IPMC致动器为例,通过应变分布计算得到IPMC致动器在阶跃电压下的输出弯矩和相应的位移响应,模拟结果与实验结果的瞬时响应规律高度一致,证明该模型正确。该模型的建立为IPMC结构驱动一体化设计奠定了坚实的基础。

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.

离子聚合物-金属复合材料的研究进展

离子聚合物-金属复合材料(IPMC)是一类电活性材料,可作为柔性致动器和传感器,因在仿生学领域有广阔的应用前景而成为材料科学的研究热点之一。概述了IPMC的研究现状,包括IPMC的致动原理,基质膜材料的结构、制备及性质以及电极的制备方法及工艺。基于材料组成结构对IPMC基质膜进行了分类,详细讨论了膜材料的化学结构与其质子交换能力、溶胀性、吸水率、致动力、形变性等性能的关系,并分析了各类材料的特点及局限性;讨论了IPMC电极制备方法及工艺,分析了电极制备方法与其性能的关系;通过归纳总结IPMC组成结构对其性能的影响规律,探讨改进IPMC性能的方法,并展望了该类材料的发展前景。

银基离子聚合物金属复合材料的封装工艺及其致动性能

离子聚合物金属复合材料(IPMC)是一种典型的电活性聚合物,具有响应速度快、驱动电压低的突出优势,但全氟磺酸树脂在空气中易失水的缺陷,导致基于全氟磺酸树脂的IPMC会产生非常严重的松弛现象,限制了其作为柔性驱动材料的各项性能。因此,在此基础上提出了一种从物理封装角度抑制IPMC易于松弛的方法。通过聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚氯乙烯(PVC)的组合方式对IPMC进行封装,测量封装后的IPMC的含水率、偏移角度、输出力以及稳定性。结果表明,这种在表面增加膜结构的方法不仅减少了内部水分的流失,使IPMC在空气中的含水率提高了约35%,而且为其致动提供了更高的机械强度,产生了更大的输出力,改善了其在空气中工作的稳定性。这种方法弥补了该材料制备驱动器时的主要不足,为其更广泛的应用奠定了基础。

聚合物离子交换膜的电导率优化及电致响应研究

首先制备了银纳米粒子(Ag NPs)搭载的氧化石墨烯(GO)分子膜;接着,将之均匀分散在商业Nafion溶液中,得高储水、导电的GO/Ag杂化离子交换膜;然后,在膜两侧沉积Pt纳米电极,最终获得杂化的离子交换聚合物-金属复合材料(IPMC)电致动器。IPMC的交流阻抗谱(EIS)和电致响应测试结果表明,GO/Ag掺杂后,离子交换膜的电导率增加,IPMC的偏转角和力输出随着增加;IPMC的电致动性能与离子交换膜的电导率紧密相关,电导率可作为评价IPMC电致响应性能优劣的有价值参数。

离子交换膜金属复合材料力-电耦合变形数值模拟

论文基于电场-化学场-机械场耦合作用机理,采用数值模拟方法,研究离子交换膜金属复合材料(I-onic Polymer Metal Composites简称IPMCs)宏观变形的细观机理.借用大型商业有限元软件ANSYS开发平台,结合MATLAB编制用户子程序,制定了数值分析流程,给出了典型IPMC悬臂梁宏观挠曲变形结果.文章重点研究了IPMC板迭层结构的输出力效率和非均匀挠曲变形细观机理的宏观分析方法,计算结果与实验比较以显示数值方法的正确性.文章的研究结果对材料工作者合理的制作IPMC致动器产品,具有理论指导意义.

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。

IPMC人工肌肉的特性及其应用

介绍了IPMC人工肌肉致动器的制备、致动特性和应用 。

人工肌肉IPMC电致动响应特性及其模型

采用自行设计的悬臂梁装置对人工肌肉IPMC的电致动响应特性进行测试,研究在直流电压作用下悬臂梁位移与电压的关系及在方波电压作用下位移与电压频率的关系,建立IPMC材料的力学模型;提出IPMC材料悬臂梁电致动挠曲线方程的大变形解法,导出作用于IPMC悬臂梁上的等效弯矩与电压、频率的函数。测试结果表明,在电压为5V时位移达到最大值11.1mm;当电压的频率大于30mHz时,随着频率的增加,悬臂梁的位移逐渐减小,且在30～100mHz时下降迅速。模型计算结果与测试结果最大相对误差在10%以内,证实了模型的准确性。

Ag型IPMC柔性驱动器的制备及性能

为了降低成本并改善材料性能,采用银替代铂制备IPMC电极。基于渗透还原工艺采用化学沉积方法制备了Pt基、Pt-Ag基和Ag基三种IPMC柔性驱动器试件。对试件的SEM和XRD分析结果表明本文提供的方法可以有效地将电极金属沉积在基膜中,且呈梯度分布;对样件的致动效果以及表面电阻特性测试结果表明Ag基IPMC驱动器具有最好的致动变形能力和最低的表面电阻。在相同尺寸与约束条件下,Ag基IPMC在1.5V时产生90°变形,Pt型与Pt-Ag型IPMC分别在3V和4V驱动电压下产生60°变形。

新型智能材料微小型光学镜头致动器的设计与性能研究

为了使微小型光学镜头驱动系统满足低能耗、高稳定性以及结构简单的要求,采用新型智能材料IPMC设计了一种微小型的光学镜头致动器,并对其输出力、位移及响应速度等性能进行了研究.根据直线驱动要求确定了瓣形和环形结构;通过化学还原方法制备了IPMC材料,采用激光切割技术分别制作出5种形状的环形和瓣形致动器,并对其性能进行了测试.利用有限元软件,通过等效热模型分析了致动器的基本性能,结果表明:实验测试与理论分析结果一致,误差率在10%以内;瓣形致动器的总体位移性能比环形致动器的好;在3V驱动电压下两者的位移均大于200μm;当内圆半径为2mm、瓣数为8时,致动器的最大位移与响应速度均最佳.

电泳沉积法在IPMC电极制备中的应用研究

化学镀是制备IPMC(Ionic polymer-metal composites,离子聚合物金属复合材料)电极的常用方法.传统化学镀银方法制备Ag-IPMC(传统化学镀方法)的周期约为32 h,时间较长.为此,本文采用电泳沉积法将多壁碳纳米管(MCNT)沉积在Nafion基膜表面作为IPMC电极,以缩短电极制备周期.由于MCNT与Nafion基膜之间的结合力较小,所以首先进行一次化学镀得到Ag-IPMC(1次化学镀),然后再利用电泳沉积法得到MCNT-Ag复合电极IPMC.同时研究了电泳电压和电泳沉积时间对IPMC电致动性能的影响.电泳沉积法不仅制备周期为传统化学镀方法的一半,并且制备的IPMC电致动性能也明显优于传统化学镀法.电泳沉积法是一种非常有应用前景的IPMC电极制备方法.

IPMC的材料组成与驱动传感性能研究进展

离子交换聚合物/金属复合材料(IPMC)可作为柔性的驱动器与传感器,用于仿生机械、医疗器械等领域。驱动器是IPMC的主要应用,存在输出功率低、驱动不稳定等问题。传感器是IPMC的重要应用,存在感应电压低、干扰大等缺陷。优化电极、电解质膜、电解质溶液的材料组成有望解决上述问题。驱动器方面,本文梳理了不同聚合物电解质膜的改性技术及驱动特点,重点归纳了电解质膜的成分、结构制约其物理性能(如离子交换当量、含水量、力学性能),进而制约其驱动性能(如位移、力输出)的规律。传感器方面,本文从电极形状、电解质膜结构、电解质离子尺寸3个方面,讨论了IPMC传感性能(如感应电压的幅值、稳定性)的优化技术。论文还展望了IPMC的未来发展方向。

PVP分散剂对IPMC表面银纳米颗粒及致动性能的影响

采用化学还原法制备银电极离子聚合物金属复合材料(IPMC)时,由于反应过程中银颗粒团聚,导致IPMC表面电极存在银纳米颗粒分布不均匀、表面有裂缝等问题,影响了IPMC致动性能。因此,提出了在化学还原反应的过程中加入分散剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)来细化银纳米颗粒,使用细化的银纳米颗粒对裂缝进行填充,通过在次化学镀反应过程中加入不同质量的PVP制备了Ag-IPMC以及Ag-PVP-IPMC样品,测试了不同样品的表面形貌、表面电阻、含水量、失水速度、尖端输出力以及变形角度。结果表明,加入适量PVP时,IPMC表面电极分布均匀,裂缝减少,含水量提高,失水速度减慢,同时其尖端输出力和输出位移均有所提高。

基于W-M函数的IPMC界面建模仿真方法

离子聚合物-金属复合材料(ionic polymer-metal composite, IPMC)界面的粗糙特性对材料的电致动性能有重要作用,文章针对IPMC界面表征模型难以体现实际界面复杂特性的研究现状,提出利用W-M函数来模拟界面轮廓。从制备的样片界面轮廓出发建立传质方程,将实际界面、平电极、Koch曲线和W-M函数模型的拟合结果进行对比,发现仅W-M函数模型与实际界面模型拟合结果相近,且误差均小于5%。此外,文章给出了W-M函数核心参数的获取方法和经验公式,并用来表征复杂界面轮廓。

基于PVDF传感器的仿生机器鱼测控系统

选择离子聚合物金属复合材料(IPMC)作为驱动器,设计了一种厘米级仿生机器鱼;针对驱动器自身存在的易疲劳、易电解等缺陷及实际工程中的不确定因素给系统带来的不稳定问题,建立了基于性能稳定的聚偏二氟乙烯(PVDF)传感器的闭环测控系统,解决了开环控制存在的调节时间长、误差大的问题;提出了一种新颖的传感器并行安装方式,有效地避开了应用环境中的不利因素,实现了对驱动器状态的实时检测;在LabVIEW软件环境下进行了测控实验。实验表明,该系统能够保证仿生机器鱼长期稳定地工作。

表面粗化对IPMC人工肌肉性能的影响

离子聚合物金属复合材料(Ionic Polymer Metal Composite,IPMC)是由聚合物基底膜和金属电极复合而成的一种新型的离子型电致动材料.对基底膜进行表面粗化处理,改善聚合物基底和金属电极间交界面构筑方式是提高材料性能的重要方法.本文针对IPMC人工肌肉的制备提出了一种可控的基底膜定向表面粗化方法,基于UMT-2摩擦磨损试验机的线性往复运动设计了一套IPMC基底膜表面粗化装置.对比手工粗化,采用3种载荷对Nafion商业膜表面进行了机械粗化处理.对不同粗化条件获得的基底膜以相同的工艺制备IPMC,研究了不同粗化方法和条件对IPMC人工肌肉力和位移输出性能的影响.结果表明,机械粗化能够排除手工粗化过程中人为因素的影响,做到粗化加载的力度及方向性可控,使磨痕深浅均匀方向一致.相比手工粗化,通过机械粗化可以改善基底膜与电极层之间的构筑紧密程度,增加铂颗粒的吸附能力和沉积厚度,获得更为平整致密、裂隙均匀有序的表面电极,从而降低IPMC表面电阻,提升力和位移输出能力.致密且较厚的电极层同时可以阻挡一部分水分的泄露,延长IPMC有效工作的时间.该研究能够提升IPMC制备工艺的稳定性,为IPMC制备的标准化奠定基础,同时提高IPMC人工肌肉的驱动性能,对IPMC人工肌肉的进一步开发应用提供保障.