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。

离子聚合物-金属复合材料(IPMC)柔性电极的研究进展

离子聚合物-金属复合材料(IPMC)是一种电活性的智能软材料,由离子交换薄膜及其上下表面的柔性电极组成,其中柔性电极的优异性能对于提升IPMC的驱动和传感性能至关重要。目前专门针对IPMC传感的电极研究相对较少,而适用于IPMC驱动的电极一般也满足其传感的电极要求,因此本文从IPMC柔性电极的材料筛选、制备和柔性电极对驱动性能的提升策略方面综述了IPMC柔性电极的国内外研究进展。首先,简单概述了IPMC智能软材料的组成及其驱动、传感机理;其次,归纳整理了IPMC电极材料的种类和各类电极材料面临的问题,如金属电极易疲劳开裂且比电容较低的问题,导电聚合物电极的电导率较低等问题;最后,重点综述了改性柔性电极在提升IPMC驱动性能方面的研究进展并展望了其发展趋势,理想的IPMC柔性电极应兼具较高的电导率、较大的比电容和优异的稳定性特点,以期为IPMC智能软材料的开发和应用提供参考。

离子聚合物-金属复合材料(IPMC)的电极界面研究进展

离子聚合物-金属复合材料(Ionic polymer-metal composites,IPMC)是一种新型的智能材料,由于其具有良好的机电转换能力且本体柔软,可以制作成多种驱动器和传感器,因而在各个领域中展示出巨大的应用潜力。这种材料的机电性能受多种因素影响,其电极界面是重要影响因素之一。文章回顾了近几年来国内外针对IPMC材料的界面电极特性所做的研究工作,归纳了优化电极界面的主要措施,并提出一种有效提高IPMC材料电极界面的制备工艺设计思路。

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驱动器在机器人中的应用进展

离子聚合物-金属复合材料(Ionic polymer-metal composites,IPMC)作为一种特点突出?性能优良的软体智能材料,具有极高的研究和实用价值,受到了国内外研究人员的广泛关注。基于此,对IPMC驱动器的基本原理、结构组成,及其在机器人领域中的应用现状进行了总结,重点分析新近出现的离子交换薄膜和复合电极材料的特性及其对IPMC性能的影响,概括IPMC驱动器的成膜、镀层和封装等制备工艺的发展现状。深入分析面向数字化控制应用的IPMC驱动器建模方法和控制策略的理论研究进展,并在综合探讨IPMC驱动器所面临的技术挑战基础上,对其在机器人领域的应用前景进行展望。

离子液体型离子聚合物金属复合材料的封装及变形性能

针对水基离子聚合物金属复合材料(IPMC)在空气中性能不稳定且存在松弛变形这一问题,使用离子液体替代水作为IPMC内部溶剂,采用光固化材料对该材料进行表面封装,测试水基IPMC和离子液体型IPMC封装前后的驱动性能,对比水基IPMC和离子液体型IPMC在空气中的长期稳定性能。实验结果表明:在2V电压驱动下,离子液体型IPMC的松弛变形消失,输出力和位移虽有所减小,但该类型IPMC可以承受高的驱动电压;在8 V电压作用下,离子液体型IPMC封装后的材料变形为12mm,输出力达到0.8mN;封装后的离子液体型IPMC的整体质量基本维持不变,驱动性能基本稳定,满足在空气中长期使用的要求。

聚合物-锂改性蒙脱石复合材料离子迁移

以聚合物（ＰＥＯ，ＰＥＯ－ＰＭＭＡ）和锂改性蒙脱石作为主要原料，采用聚合物粉末直接熔融嵌入的方法，制备聚合物－蒙脱石复合材料．利用ＮＭＲ、ＡＣ阻抗等分析方法探讨了复合材料中聚合物链对 Ｌｉ＋离子迁移的影响．结果表明，聚合物（ＰＥＯ）嵌入蒙脱石层间，层间聚合物链的无序度增大，有利于Ｌｉ＋离子迁移．ＰＭＭＡ引入对ＰＥＯ链的改性，进一步加大聚合物链的无序度，更易于层间Ｌｉ＋离子迁移；复合材料的常温离子电导率接近１０－２Ｓ·ｃｍ－１，且具有良好的温度稳定性．

阳离子聚合物聚环氧氯丙烷二甲胺/膨润土纳米复合材料的制备与性能

以阳离子聚合物聚环氧氯丙烷二甲胺(EPI-DMA)为纳米复合材料插层剂,对膨润土进行改性,系统考察了聚环氧氯丙烷二甲胺在膨润土纳米层间插层过程中反应体系的聚合物用量、反应时间、温度、pH值等工艺条件对插层效果的影响,并通过比表面积测定、Zeta电位测定、X射线衍射和透射电镜分析,对插层复合材料的结构和性能进行了研究,在此基础上初步探讨了其脱色性能.结果表明,最佳制备工艺为EPI-DMA的加入浓度7.0%,反应时间2.0h,温度75℃,体系pH值7.0.经聚环氧氯丙烷二甲胺插层复合后的膨润土比表面积增大,表面电性由负值变为正值,层间距、层间缔合结构和聚集程度增加,对红色染料废水具有较强的脱色效果.

离子聚合物金属复合材料的力电耦合模型

提出了一种基于不可逆热力学和纯弯曲理论的力电耦合模型,以描述和预测离子聚合物金属复合材料的力电特性.力电耦合模型的表达形式可简化为含有两个驱动力(电场E和压力梯度▽p)的线性等式,主要依据离子传输、电场作用和弹性变形之间的耦合关系预测IPMC的力电特性;采用纯弯曲理论近似描述了IPMC的受力特征,这个力电耦合模型可解释IPMC材料的驱动特性和传感特性,能较好地预测IPMC在直流激励下响应,误差在-7%以内.

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-金属复合材料的理论建模研究现状

离子聚合物-金属复合材料IPMC(Ionic polymer-metal composite)是一种新型的智能材料,在航天航空、生物医学、仿生机械等领域具有广阔的应用前景。简单介绍了IPMC材料及其性能特点,综述了基于IPMC材料工作机理的理论模型以及从IPMC实际应用角度出发的等效模型的研究现状,并对两种模型进行了比较。其中理论模型可以直观地分析IPMC的性能,但是模型参数多且结构复杂,不易掌握;等效模型简易实用,但是精度不高,扩展性差。指出了IPMC建模研究未来的发展趋势。

离子聚合物增容增韧木塑复合材料的研究

为了提高木塑复合材料(WPC)的相容性和冲击韧性,利用哈克微量混合流变仪制备木粉/高密度聚乙烯(PE-HD)/钠离子聚合物复合材料,研究钠离子聚合物对WPC增容增韧的影响。结果表明,当木粉质量分数为40%时,添加质量分数为4%的钠离子聚合物,WPC的拉伸强度是添加质量分数为4%的马来酸酐接枝聚乙烯(PE-g-MAH)的WPC的1.7倍,钠离子聚合物对提高WPC的冲击韧性有突出贡献;添加钠离子聚合物的WPC的线性热膨胀系数(LTEC)稍微低于添加传统PE-g-MAH的WPC的LETC,表明钠离子聚合物可以限制复合材料的热膨胀,但是效果并不明显;傅立叶变换红外光谱图谱发现,添加钠离子聚合物的WPC接入了羧基基团,表明钠离子聚合物和木纤维发生了化学反应,增强了WPC的界面强度;通过扫描电子显微镜观察WPC的表面和断面形貌,发现添加钠离子聚合物后,PE-HD对木粉有很好的包覆效果,没有明显的界面缝隙。

石墨烯及其聚合物复合材料在锂离子电池中的应用研究进展

石墨烯的出现为设计和构建新型功能复合材料提供了广阔的空间,文中详细综述了石墨烯及其聚合物复合材料在锂离子电池中的研究进展。石墨烯是一种极有发展潜力的负极材料,储锂性能受到结构特征、含氧官能团和杂质原子等多种因素影响,导致储锂行为和机理较为复杂。将具有储锂活性的聚合物与石墨烯复合作为正极材料,储锂性能受到聚合物氧化还原的可逆性和复合结构等因素影响。聚合物还作为晶格匹配剂和交联剂,有利于提高石墨烯与氧化物复合的结构稳定性。最后指出,聚合物种类和制备方法的选择是以改善储锂性能为原则,有针对性和预见性地设计和制备高性能锂离子电池电极材料。

钯型离子聚合物-金属复合材料的制备工艺参数优化研究

主要研究钯电极型离子聚合物-金属复合材料(Pd-ionic polymer-metal composite,Pd-IPMC)的制备工艺。以增加Pd-IPMC的电致动位移为优化目标,采用正交优化方法,针对浸泡还原镀和化学镀两个核心步骤进行了参数优化,探索了主要工艺参数对材料电致位移的影响规律。实验结果给出了工艺参数的优化值,以及这些参数对材料性能的影响水平和效应曲线。由优化后工艺参数制备的Pd-IPMC性能较优化前有显著提高,且优于ERI公司商业化的IPMC。研究结果充分验证了Pd作为IPMC电极的可行性,解决了现有Pd-IPMC材料致动性能不理想的难题,对于制备低成本、大变形的IPMC材料,并促进其工程应用具有重要意义。

离子聚合物改性木塑复合材料的研究

研究了钠离子聚合物(Surlyn 8940)对杨木粉/高密度聚乙烯(HDPE)木塑复合材料的增容和增韧改性效果,并与马来酸酐接枝聚乙烯(MAPE)改性杨木粉/HDPE木塑复合材料相比较。通过万能力学试验机和悬臂梁冲击试验机测试了不同用量的钠离子聚合物或MAPE改性HDPE复合材料的力学性能,以及使用场发射扫描电镜观察钠离子聚合物改性HDPE复合材料的表面和断面形貌。结果表明,当木粉质量分数为40%时,添加4%钠离子聚合物的复合材料的拉伸强度(25.8 MPa)比添加4%MAPE时提高了78.6%;随着钠离子聚合物含量的增加,复合材料的弯曲弹性模量呈现出明显的降低趋势,而添加钠离子聚合物的复合材料的弯曲强度要高于添加MAPE复合材料的弯曲强度,并且发现钠离子聚合物对复合材料有突出的增韧效果,表明钠离子聚合物对于木塑复合材料是较好的增容增韧剂;SEM分析表明添加离子聚合物后,塑料基体对木粉有很好的包覆效果,没有明显的界面缝隙。

一种等效测量不同湿度条件下离子聚合物金属复合材料弹性模量的方法

离子聚合物金属复合材料的弹性模量与材料内部的含水量紧密相连,材料置于不同湿度环境下因含水量的差异会导致弹性模量不同,由于过程效应、实时性等因素影响,采用拉伸法测量材料的弹性模量不够准确。采用悬臂梁共振的方法测量该材料风干(吸水)过程中不同时刻的共振频率,通过公式转换计算得到不同时刻下弹性模量,然后通过测量材料在风干过程中含水量变化规律以及含水量与环境湿度的对应关系,最终得到该材料在不同湿度条件下的弹性模量,该方法简便可行,解决了测量不同湿度条件下离子聚合物金属复合材料弹性模量的难题。

以磺化聚酰亚胺为基材的离子聚合物金属复合材料

以磺化聚酰亚胺(SPI)作为离子聚合物金属复合材料(IPMC)的基体材料,通过化学沉积法制备新型IPMC,并对材料的性能进行了测试。扫描电子显微镜显示金属铂和银成功涂镀到SPI基材上,镀层厚度为12μm;并对以SPI和Nafion膜为基材制备的IPMC材料的含水量、表面电阻和电制动性能进行测试。实验结果显示,与传统的Nafion为基材的IPMC材料相比,以SPI为基材的新型IPMC材料的含水量明显高于Nafion基材制备的IPMC,并且电致动性能更好,产生的尖端位移远远高于Nafion基材制备的IPMC,并且灵敏度更高。这些性能显示磺化聚酰亚胺有望替代Nafion膜作为电活性聚合物的基体材料。

铂型离子聚合物金属复合材料传感特性

基于不可逆热力学和薄板大挠度理论建立了大挠度状态下的IPMC的传感模型。即以不可逆热力学理论为基础,描述了IPMC的离子输运内在机理,以及离子运动与电场及浓度差之间的关系,并考察了IPMC内部的离子运动形式,建立电场与内部压力差之间的关系;同时通过分析受外载荷作用后发生大挠度情况下压力与挠度之间的关系,建立IPMC在大挠度时曲率与两金属膜之间形成的电势差之间的关系,即给出了大挠度状态下IPMC的传感性能模型,并分析了IPMC输出电压的影响因素。将模型仿真值与实验结果进行对比,误差在25%以内,说明建立的传感模型能够较好的预测大挠度状态下IPMC受载后的输出电压。研究结果也表明环境因素对IPMC传感性能的影响很大,在一定程度上限制了其应用范围。

基于离子聚合物金属基复合材料线性驱动单元的性能

为提高输出力,设计了一种新型线性驱动单元,首先通过化学沉积镀的方式制备了IPMC材料,采用表层分割等方法制备线性驱动单元模型,建立了疲劳脱落评价方法,并分析了悬臂梁驱动的打卷现象,最后利用IPMC实验测试平台对方波电压下线性驱动单元性能进行研究。结果表明:控制电压小于4V,长宽比小于3.5,可减少高电压、大尺寸打卷现象;沿运动方向的输出力随电压增加先增大后减小,4V时最大输出力为2.15×10^(-2) N,是悬臂梁输出能力的4倍,而输出位移不随电压变化;垂直运动方向的输出力不随电压变化,与悬臂梁输出能力相当,而位移输出随着电压增加先增大后减小,4V时最大输出位移为41mm;疲劳脱落分析结果证实了线性驱动单元选取3~4V电压驱动,性能最佳。