论文部分内容阅读
离子聚合物复合金属材料（IPMC,Ionic polymer metal composites）是一种新型智能材料,其具有驱动电压低、摆动幅度大、制备工艺简单和生物相容性好等特点。IPMC在人工智能、军事装备、医药器械和仿生设备等领域具有极大的应用前景,是当今学术界科研热门领域之一。针对传统IPMC电极材料易开裂氧化,通电后电极表面电阻快速增大,导致IPMC电致动性能迅速恶化的问题,采用电泳沉积法及化学镀法制备了MWCNT（多壁碳纳米管）-Ag复合电极,并研究了MWCNT-Ag复合电极结构对IPMC电致动性能影响规律和作用机制;针对普通IPMC基膜含水率较低导致IPMC电致动性能较差问题,通过微粒浸析法制备了高含水率的多孔Nafion基膜,并研究了多孔Nafion基膜结构对IPMC电致动性能的影响规律及作用原理;针对以往研究者提出的电学模型结构复杂难求、模型误差较大等问题,构建并验证了一种简单易求、高准确度的考虑泄漏电流的MWCNT-Ag/多孔Nafion基膜IPMC等效电路模型。主要开展工作如下:（1）MWCNT-Ag复合电极结构对IPMC电致动性能影响规律研究。利用电泳沉积法制备了一种MWCNT-Ag复合电极结构,研究了电泳电压和沉积时间对MWCNT-Ag复合电极形貌的影响规律,给出了不同电泳电压和沉积时间下IPMC输出力、输出位移变化规律,分析了复合电极微观形貌和电致动性能之间的关系,得到了关键电泳参数、复合电极微观形貌和IPMC电致动性能之间的关系为:过大的沉积时间和电泳电压下制备的MWCNT电极层具有明显团聚现象,过小的沉积时间和电泳电压易使MWCNT电极层残缺不全,MWCNT沉积层残缺、团聚现象均会降低IPMC的输出性能,只有在适宜的沉积时间和电泳电压下,才会形成均匀覆盖的MWCNT电极层,这时IPMC电致动性能最佳。（2）MWCNT-Ag复合电极结构IPMC电致动性能增强机理研究。建立了IPMC多物理场模型和MWCNT-Ag复合电极界面特征几何模型,通过COMSOL有限元分析了MWCNT-Ag复合电极界面形貌特征对IPMC内电势分布、名义电流密度、名义电荷密度和输出位移的影响规律,得到了MWCNT-Ag复合电极结构IPMC电致动性能增强机理为:MWCNT-Ag复合电极结构使双电层厚度增大,内部有效电场强度增大,水合阳离子所受电场力增强,水合阳离子迁移速度增大,IPMC名义电流和名义电荷密度增加,输出位移增大。（3）多孔Nafion基膜结构对IPMC电致动性能影响规律及其增强机理研究。通过微粒浸析法制备了一种多孔Nafion膜结构,研究了成孔剂浓度对平均粒径、孔隙率和含水率的影响规律,测定了不同多孔结构Nafion膜IPMC输出力、输出位移、应变能密度和稳定工作时间数据,给出了多孔Nafion基膜结构对IPMC电致动性能的影响规律,得到了多孔Nafion膜结构IPMC电致动性能增强机理为:多孔Nafion膜内部含有大量微型孔和管道,导致其水合阳离子数量增多,迁移路径增加,迁移阻力减小,单位时间内富集在阴极的水合阳离子数量增加,IPMC电致动性能增加。（4）考虑泄漏电流的MWCNT-Ag复合电极/多孔Nafion基膜IPMC等效电路模型的构建。根据MWCNT-Ag/多孔Nafion基膜IPMC电致动机理、内部水合阳离子运动特点和电极、基膜结构特征,确定了包含泄漏电流在内的IPMC内部电流种类,建立了考虑泄漏电流的等效电路模型。通过不同驱动电压幅值、不同驱动电压频率和阶跃电压下的IPMC实际电学数据验证了等效电路模型的合理性,数学推导求出模型各元件参数值并通过实验验证了等效电路模型的准确性。本文所揭示的IPMC制备工艺参数与形貌结构的关系以及形貌结构对IPMC电致动性能的影响规律,明晰的MWCNT-Ag复合电极IPMC和多孔Nafion基膜IPMC电致动性能增强机理,给出的考虑泄漏电流的IPMC等效电路模型,为人工肌肉的理论研究和电致动性能的提高提供了有效途径。