论文部分内容阅读
离子聚合物复合材料（Ionic polymer-metal composites,IPMC）是一种新型电致动形变的智能高分子材料，它是通过化学镀方法将金属颗粒沉积在聚合物薄膜的表面形成的。IPMC在较低的驱动电压下会产生较大的位移形变，相反，IPMC在发生位移变形时会在膜内产生通过金属电极的电场。因此，IPMC材料既以作为驱动器，也可以作为传感器，IPMC在微电子系统、人工智能等方面的应用前景广阔。本文在前期研究的电致动模型基础上，考虑IPMC表面电极存在的水分子泄露对IPMC性能的影响对原模型进行改进，通过实验获取了IPMC浇铸膜的电学特性，并以此为基础对电致动模型中的电学模型进行构建。具体内容如下：本文首先考虑水分子泄露对于IPMC的影响，对原有的IPMC电致动模型进行了改进。建立了IPMC表面裂纹的小孔模型；根据伯努利方程求解出小孔的泄露量方程；采用图像处理方法求解出单位面积的小孔面积，然后结合膜的总面积求解出IPMC表面小孔的总面积和小孔的总个数；在离子迁移过程和水分子扩散过程中结合水分子的泄露量方程求解出水分子浓度分布；根据水分子浓度分布求解出弯矩和位移。理论结果表明水分子泄露的考虑减少了原有IPMC电致动模型与实验数值的误差，改进后的模型能够更好符合实验结果，证明改进后的模型是可行的。其次对IPMC浇铸膜的电学特性进行了探索，在测试平台上测试了空白膜IPMC的电流电压关系图，输入信号是正弦电压，幅值取1V，1.2V，1.5V，2V，3V。首先得出频率为0.1Hz下电流和电流电压特性变化规律，确定出产生非线性的临界值；同时测试了频率取0.1Hz，1Hz，10Hz的电流电压关系图，得到幅值为2V，不同频率的条件下电流和电流电压特性变化规律。最后，在IPMC电学特性实验的基础上，建立了IPMC的等效电学模型。首先探讨了电流产生机理，其次根据电工学基本理论求解出电阻、电容和电感元件值与假设电流公式中变量的关系函数；通过1stopt软件拟合实验所获取的阶跃电压下的电流获取变量值，通过关系函数求解出等效电路的元件值；用Pspice软件对等效电路进行模拟，求解的模拟值符合实验数值。证明了电学模型的可行性。