Nafion-金屬?gòu)?fù)合材料的制備及電形變性能研究.pdf

1、離子聚合物金屬?gòu)?fù)合材料(Ionic Polymer-Metal Composite，IPMC)是一種新型智能材料，在較低電場(chǎng)的作用下能發(fā)生較大的形變，由其構(gòu)成的致動(dòng)器具有致動(dòng)方式簡(jiǎn)單、效率高、致動(dòng)電壓低、操作安全、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。IPMC在仿生機(jī)器人、應(yīng)力傳感器、人工肌肉、生物醫(yī)用和仿生材料等方面有廣泛的應(yīng)用前景。本課題從研究材料的實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，基于IPMC基體材料的分子結(jié)構(gòu)和IPMC材料制備過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，以Nation-11

2、7為IPMC的基體膜，采用浸漬還原化學(xué)沉積法，制備了在離子聚合物膜兩側(cè)為Ag金屬電極的IPMC(Ag-IPMC)和Ni金屬電極的IPMC(Ni-IPMC)。 首先采用浸漬還原化學(xué)沉積工藝制備了IPMC，并對(duì)其影響因素進(jìn)行了分析。利用掃描電子顯微鏡和能譜分析方法分別對(duì)IPMC的微觀形貌和電極厚度進(jìn)行了研究；并對(duì)IPMC的表面電阻、不同溫度下的吸水性能進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：在制備IPMC的過(guò)程中，Ag-IPMC比較穩(wěn)定，而Ni-IP

3、MC在浸漬還原反應(yīng)中容易發(fā)生自分解。由IPMC的電鏡照片發(fā)現(xiàn)，經(jīng)二次化學(xué)還原后IPMC的電極層致密性和平整性比一次化學(xué)還原的要好，金屬元素在基體膜內(nèi)部呈梯度分布。IPMC的吸水性能隨溫度升高均增加。 最后從負(fù)載電壓、形變電流、失水率和電極厚度等影響因素方面討論了IPMC電形變性能，并以懸臂梁模型為基礎(chǔ)推導(dǎo)出了IPMC形變應(yīng)力計(jì)算公式。研究發(fā)現(xiàn)，負(fù)載電壓較低時(shí)(小于7V)，IPMC形變的重復(fù)性較高；繼續(xù)增加電壓，IPMC彎曲程度隨

4、著電壓的增加而上升但形變幅度增大趨緩；當(dāng)負(fù)載電壓增加到一特定值時(shí)，IPMC形變位移達(dá)到最大值。在負(fù)載電壓一定的情況下，反應(yīng)電流在形變過(guò)程中隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸降低；通過(guò)在IPMC表面涂一層油脂作為保護(hù)層，可以有效的減緩IPMC的失水率，從而提高IPMC的頂點(diǎn)形變位移和連續(xù)形變次數(shù)等電形變性能；通過(guò)多次滲透還原工藝可制備具有一定電極厚度的IPMC，隨著IPMC電極沉積厚度的增加其末端輸出力、形變應(yīng)力相應(yīng)增大。在相同的負(fù)載電壓下，電極厚度