摘要：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。

摘要：探索了离子聚合物金属复合材料(IPMC)的制备工艺,利用化学沉积的方法成功制备了铂型IPMC(Pt-IPMC)试样。采用SEM对试样表面电极形貌进行研究,对Pt-IPMC试样在4种波形激励信号(幅值2～4 V,频率0.06～0.14 Hz)下的致动位移进行了测试。结果表明:金属Pt在离子交换膜内部及外表面具有良好的沉积效果,内、外电极厚度均有不同程度的减小;随着激励信号幅值的增加,IPMC试样的变形能力增强,响应速度加快;在4种波形信号的激励下,试样均在频率为0.1 Hz时达到最大位移,且在方波信号驱动下具有最好的响应速度和变形量。

摘要：用化学沉积法制备银基IPMC(Ag-IPMC),用扫描电镜和能谱分析仪研究其表面形貌和表面电极化学成分。结果表明,Ag在离子交换膜内部和外表面的沉积效果良好;对Ag-IPMC试件的直流驱动、不同状态下的含水特性以及拉力输出的测试结果表明,低电压(小于1.6 V)刺激可使Ag-IPMC试件产生大变形,其输出拉力可达自重的89倍。各项性能与激励电压的关系表明,Ag-IPMC的最佳直流激励电压为0.6-1.2 V。

摘要：利用化学沉积的方法,在反应温度为23℃和10℃的条件下,制备银型离子聚合物金属复合材料(Ag-IPMC)。SEM和EDAX观测结果表明:反应温度10℃下制备的试样与23℃的试样相比,具有更好的电极沉积效果,其内、外电极厚度分别增加25%和34%,且外电极的开裂和剥落现象得到抑制。对10℃条件下制备的三种不同厚度的试样(0.2mm、0.4mm、0.8mm)的传感特性研究表明:随着厚度的增加,试样输出电压和灵敏度增强趋势明显;三种试样均对低频激励敏感,在0.3～0.8Hz时试样具有最高的灵敏度,其中0.8mm试样在0.65Hz时的传感电压为17.82mV,灵敏度可达1030.06mV/mm。

摘要：建立了电流测试平台,并对不同IPMC进行电流测试分析,为IPMC材料的改性提供依据。选用TBC0.5A02电流传感器设计电路,采用NI PCI-6024E数据采集卡,通过LabVIEW程序编写采集程序,并对采集到的电流传感器的输出信号进行处理。将固定电压施加在一系列固定的电阻上,从而建立电流传感器输出值和输入值的关系,实现实时测量流经IPMC的电流。通过比较商业膜基体IPMC、自制膜基体IPMC以及TEOS改性膜基体IPMC在不同正弦电压信号下的电流值,证明该测试系统是可行的。

摘要：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。

摘要：将一种全氟磺酸树脂(Nafion)与多壁碳纳米管(MWCNTs)分别按质量比100∶1、100∶3、100∶5进行配比,采用溶剂浇铸法配合超声波分散法制备MWCNTs/Nafion型离子交换膜(IEM),在此基础上利用化学沉积法制备铂型离子聚合物金属复合材料(Pt-IPMC),考察三种MWCNTs负载量对IEM及Pt-IPMC性能的影响。采用SEM配合EDAX研究Pt的沉积效果,对IEM及Pt-IPMC试样进行拉伸测试,采用数字信号发生器为激励源测试Pt-IPMC的动态位移。结果表明:添加MWCNTs使Pt-IPMC的内、外电极厚度分别增加200%～250%和180%～200%,使IEM及Pt-IPMC的弹性模量分别提高57.92%～140.85%和9.06%～52.85%;MWCNTs有效修饰了Pt-IPMC的内电极,并明显提升其动态位移量、动态响应及变形速度。

摘要：离子聚合物金属复合材料(IPMC)作为一种典型的柔性智能材料,具有质量轻、变形大,可在水下运行等独特优点,在制作柔性机器鱼领域展现了突出优势。实现IPMC驱动机器鱼的独立运行和速度可控对于推动其实际应用具有重要意义。由于IPMC性能限制,使得机器鱼负载能力有限,对传感器和控制单元的质量和体积均有较高要求;同时由于游动速度信号的采集和处理较为困难等原因,现有IPMC驱动机器鱼大多是以开环方式来控制,少数关于游动速度的反馈控制也是以理论研究为主或者借助外接仪器和传感器来测量参数,均未能实现独立运动下IPMC驱动机器鱼的速度反馈控制。因此,文中在制造无外接电源、独立运动机器鱼的前提下实现对游动速度的闭环控制,通过在机器鱼内部安装惯性测量单元来测量游动速度,并对其设计了比例-积分-微分(PID)控制器反馈速度控制系统,利用MATLAB对控制系统进行仿真,使用单片机、陀螺仪等制作印制电路板(PCB),利用性能优良的IPMC材料制备具有可观负载能力的机器鱼样机,并进行了预设速度分别为3mm/s和6mm/s时的实验。实验结果表明,机器鱼的独立运行和速度得到了精确控制,最终使得机器鱼约在1.8 s时达到预设速度且稳态误差保持在?0.4 mm/s以内,速度控制误差不超过8%。文中所做研究可为机器鱼游动闭环控制研究提供参考。

摘要：针对IPMC驱动和性能测试的需求,设计了一种IPMC测控系统。控制系统以STM32F103RET6为主控芯片,可输出双极性大电流的正弦波、方波和组合波形,并且输出信号的幅值、频率和占空比可调;位移检测系统基于Lab VIEW的MeanShift目标跟踪算法,可对IPMC末端进行目标跟踪,并实时显示其在两个方向上的位移。利用该测控系统进行IPMC性能测试实验,验证了其可行性。