收藏本站
《南京航空航天大学》 2017年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

钛酸钡/Nafion基离子聚合物金属复合材料力—电耦合特性研究

刘红光  
【摘要】:离子聚合物金属复合材料(Ionic Polymer Metal Composite,IPMC)是一种新型电致动功能材料,以离子交换膜(如Nafion、Flemion、Aciplex等)为基体在其表面镀贵金属(如铂、银等)电极形成,具有密度小、响应快、柔韧性好、结构简单、激励电压低等优点,在仿生机构、生物医学、航空航天等领域具有广泛的应用前景。然而IPMC驱动力小、响应机理复杂、非线性弯曲大变形的特点限制了其应用与发展。针对这些问题,本文开展了BaTiO_3改性IPMC的制备工艺、基本性能测试、驱动响应分析以及力-电耦合建模等研究。优化BaTiO_3改性IPMC材料制备工艺。采用溶液-浇筑法制备BaTiO_3/Nafion离子交换膜,采用温控化学沉积法制备Pt型BaTiO_3/IPMC;通过扫描电镜(SEM)结合电子能谱分析(EDX)对试样进行表征,获得了BaTiO_3/IPMC的基膜、电极的微观形貌特征以及电极结构特点等。通过对BaTiO_3/IPMC试样含水率特性、力学特性和电学特性等基本性能表征,获得材料的基本参数并提出了合适的力学测试方法。结果表明:BaTiO_3纳米颗粒的加入可以降低离子交换膜和IPMC的含水率,并明显提高IPMC的弹性模量。比较了拉伸、弯曲、压杆后屈曲三种基膜弹性模量测试方法。掌握了IPMC的表面电极电阻随弯曲曲率的变化规律以及极间电容、电阻等参量受试样尺寸的影响。采用实验测试方法研究了BaTiO_3/IPMC试样的电致动响应性能。研究不同掺杂质量比的BaTiO_3/IPMC在直流和交流激励下的变形特性和力输出特性,结果表明:掺加BaTiO_3后,IPMC的变形能力和力输出能力有显著提高,其中BaTiO_3含量为3wt%的试样增强效果最好;采用数字图像相关技术结合数字显微系统,研究了IPMC的真实应变响应特性,获得了IPMC内部应变场分布规律以及失水对于其应变的影响。提出了功能梯度模型预测BaTiO_3/IPMC试样的有效弹性模量与表面电极电阻。根据试样结构表征结果,建立“外电极-内电极-基膜”功能梯度模型,外电极为多孔Pt金属材料,内电极为Pt金属颗粒与离子交换膜复合层,基膜为BaTiO_3/Nafion离子交换膜。验证试验显示,功能梯度模型的预测值与实测结果对比误差均在10%以内。通过理论建模描述IPMC力-电耦合特性,并进行了实验验证。分析了IPMC非线性大变形特征,以不可逆热力学理论解释IPMC微元致动机理;考虑曲率影响改进了IPMC的分布式RC等效电路,建立了描述IPMC非线性弯曲大变形的解析力-电耦合模型;根据曲率与挠度的经验关系,建立了IPMC力-电耦合经验模型;通过Pt型、Ag型两种IPMC验证了两种模型的准确性和通用性,结果显示预测值与实测值误差均在10%以内。本文在IPMC改性制备工艺、电致动响应测试和力-电耦合建模方面的探索,为IPMC的后续研究以及工程应用提供了必要的理论依据和研究基础。
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TB33

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前8条
1 顾莉莉;熊克;卞侃;吴佳俊;陈骐;王帮峰;;制备温度对Ag-IPMC拉伸及致动性能的影响[J];复合材料学报;2013年05期
2 王燕兰;张方;;扫描电镜法用于多孔金属孔隙率的计算[J];火工品;2012年06期
3 卞侃;熊克;陈骐;刘刚;王帮峰;;银基离子聚合物金属复合材料的制备和驱动特性[J];材料研究学报;2010年05期
4 安逸;熊克;顾娜;;采用梯度功能方法的IPMC弹性模量改进模型[J];复合材料学报;2009年06期
5 陈骐;熊克;卞侃;金宁;王帮峰;;一种新型柔性驱动器的制备和性能研究[J];兵器材料科学与工程;2009年02期
6 马春秀;张玉军;;Nafion/金属的制备及电形变性能研究[J];宇航材料工艺;2007年04期
7 王海霞,余海湖,李小甫,姜德生;Pt-Ni/Nafion膜电致动材料的制备及性能研究[J];武汉理工大学学报;2004年12期
8 平幼妹;用悬臂梁的大挠度理论测定纸的抗弯刚度[J];力学与实践;1992年05期
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 卞侃;离子聚合物金属复合材料(IPMC)的制备及力—电耦合特性研究[D];南京航空航天大学;2013年
2 杨慧;颗粒增强复合材料细观力学研究[D];南京航空航天大学;2012年
3 龚亚琦;IPMC电致动特性分析及其相关结构数值模拟[D];华中科技大学;2009年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 徐岩;赵刚;朱玉敏;孙壮志;;Ag-IPMC的制备及形貌表征[J];中国有色金属学报;2015年03期
2 李玉海;卢世松;赵晖;赵艳;;纯钛微弧氧化膜制备工艺的优化[J];材料研究学报;2014年03期
3 顾莉莉;熊克;卞侃;吴佳俊;陈骐;王帮峰;;制备温度对Ag-IPMC拉伸及致动性能的影响[J];复合材料学报;2013年05期
4 陈花玲;王永泉;盛俊杰;常龙飞;王延杰;;电活性聚合物材料及其在驱动器中的应用研究[J];机械工程学报;2013年06期
5 漆炜;樊建平;龚亚琦;;离子交换膜金属复合材料力-电耦合变形数值模拟[J];固体力学学报;2013年01期
6 郝丽娜;高建超;孙智涌;;IPMC并联驱动仿真与实验研究[J];东北大学学报(自然科学版);2012年11期
7 焦战士;何青松;郭东杰;戴振东;;磺酸化石墨烯掺杂的离子交换聚合物电致动器[J];复合材料学报;2012年05期
8 卞侃;熊克;朱程燕;顾莉莉;陈骐;;银型离子聚合物金属复合材料传感性能[J];复合材料学报;2012年06期
9 郭文莎;罗欣;金建新;;Pt-Ni/Nafion材料的制备及电致动性能研究[J];材料导报;2012年14期
10 王延杰;王永泉;陈花玲;朱子才;罗斌;;新型智能材料微小型光学镜头致动器的设计与性能研究[J];西安交通大学学报;2012年05期
中国博士学位论文全文数据库 前8条
1 刘红光;钛酸钡/Nafion基离子聚合物金属复合材料力—电耦合特性研究[D];南京航空航天大学;2017年
2 蔡东海;气压砂轮光整加工振动特性研究[D];浙江工业大学;2016年
3 孙智涌;微纳操作中智能材料致动器的建模与控制方法研究[D];东北大学;2016年
4 韦伟;渐进式软固结磨粒气压砂轮光整加工研究[D];浙江工业大学;2016年
5 顾娜;铂型离子聚合物金属复合材料的基本电学性能研究[D];南京航空航天大学;2015年
6 何青松;IPMC人工肌肉界面与材料设计、力电建模及仿生应用研究[D];南京航空航天大学;2015年
7 苏玉东;ICPF智能材料驱动的仿生微型机器鱼的研究[D];哈尔滨工程大学;2012年
8 彭瀚旻;IPMC人工肌肉机电性能建模及其在作动器上的应用[D];南京航空航天大学;2010年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 卞侃;熊克;刘刚;陈骐;王帮峰;;铂型离子聚合物金属复合材料的制备及驱动位移测试[J];复合材料学报;2011年03期
2 卞侃;熊克;陈骐;刘刚;王帮峰;;银基离子聚合物金属复合材料的制备和驱动特性[J];材料研究学报;2010年05期
3 ;Manufacture and Performance of Ionic Polymer-Metal Composites[J];Journal of Bionics Engineering;2007年03期
4 马春秀;张玉军;;Nafion/金属的制备及电形变性能研究[J];宇航材料工艺;2007年04期
5 李丰富;张玉军;郑岩;;EDS法分析离子交换膜金属复合材料的铂电极厚度[J];哈尔滨理工大学学报;2007年02期
6 梁永仁;杨志懋;丁秉钧;;金属多孔材料应用及制备的研究进展[J];稀有金属材料与工程;2006年S2期
7 罗玉元;李朝东;张国贤;;基于离子聚合物金属复合结构(IPMC)的柔性致动器研究[J];中国机械工程;2006年04期
8 黄辉;王泽山;黄亨建;李金山;;新型含能材料的研究进展[J];火炸药学报;2005年04期
9 王海霞,余海湖,李小甫,姜德生;Pt-Ni/Nafion膜电致动材料的制备及性能研究[J];武汉理工大学学报;2004年12期
10 胡更开,刘晓宁,荀飞;非均匀微极介质的有效性质分析[J];力学进展;2004年02期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 彭瀚旻;IPMC人工肌肉机电性能建模及其在作动器上的应用[D];南京航空航天大学;2010年
2 安逸;离子聚合物金属复合材料(IPMC)的力学和力电耦合性能研究[D];南京航空航天大学;2009年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 Ruili Sun;Zhangxun Xia;Huanqiao Li;Fenning Jing;Suli Wang;;Ordered Nafion~? ionomers decorated polypyrrole nanowires for advanced electrochemical applications[J];Journal of Energy Chemistry;2018年03期
2 蒋恬梦;王一然;胡文波;吕洪凤;;直接甲醇燃料电池用Nafion膜改性研究进展[J];化工新型材料;2017年01期
3 龙志;邓光荣;刘长鹏;葛君杰;邢巍;马树华;;Nafion含量对直接甲醇燃料电池阴极催化剂性能表达的影响(英文)[J];催化学报;2016年07期
4 Jinkai Hao;Xiaojin Li;Shuchun Yu;Yongyi Jiang;Jiangshui Luo;Zhigang Shao;Baolian Yi;;Development of proton-conducting membrane based on incorporating a proton conductor 1,2,4-triazolium methanesulfonate into the Nafion membrane[J];Journal of Energy Chemistry;2015年02期
5 Fan Luo;Shijun Liao;Dan Chen;;Platinum catalysts supported on Nafion functionalized carbon black for fuel cell application[J];Journal of Energy Chemistry;2013年01期
6 王建春;刘平;吴棱;王绪绪;毕进红;韩炜;;Synthesis and Photocatalytic Properties of Coupled Nanocrystalline ZnO/ZnS in Nafion Membrane[J];结构化学;2010年04期
7 Michael K.Budinski;Adam Cook;;Osmotic Pressure of Water in Nafion~[J];Tsinghua Science and Technology;2010年04期
8 Carsten Blawert;Wolfgang Dietzel;;Nafion/polypyrrole and Nafion/DMSO Organic Coatings for Magnesium Protection[J];Journal of Materials Science & Technology;2007年01期
9 ;A green synthesis of dihydropyrimidinones by Biginelli reaction over Nafion-H catalyst[J];Chinese Chemical Letters;2007年05期
10 余军;;Nafion/Silicon Oxide Composite Membrane for High Temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cell[J];Journal of Wuhan University of Technology(Materials Science Edition);2007年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 Jing Li;Kun Fan;Weiwei Cai;Liying Ma;Hansong Cheng;;An in-situ nano-scale etching-filling strategy for overall performance improvement of Nafion membrane[A];中部四省化学化工学会2016年学术年会摘要集[C];2016年
2 ;The study of electro-osmotic drag of water within Nafion membrane in PEM fuel cells[A];2008 International Hydrogen Forum Programme and Abstract[C];2008年
3 王林平;张君;马静静;图布新;郭伟;袁倬斌;;羧基化碳纳米管/Nafion修饰玻碳电极测定药物中微量咖啡因[A];中国化学会第十五届全国有机分析及生物分析学术研讨会论文集[C];2009年
4 朱红;王明;赵婷;杨武斌;魏永生;;Nafion/SPPESK/Nafion多层复合膜的制备与表征[A];中国化学会第26届学术年会新能源与能源化学分会场论文集[C];2008年
5 贾炜;武培怡;;Nafion-二硫化钼纳米复合物在近红外光控制多重形状记忆膜中的应用[A];中国化学会2017全国高分子学术论文报告会摘要集——主题K:高性能高分子[C];2017年
6 ;Characteristics of catalyst coated membrane with ePTFE-Nafion composite membrane for proton exchange membrane fuel cell[A];2008 International Hydrogen Forum Programme and Abstract[C];2008年
7 程诚;兰彦;倪国华;张守伟;孟月东;;Plasma-polymerized Membranes for Direct Alcohol Fuel Cells[A];第十五届全国等离子体科学技术会议会议摘要集[C];2011年
8 于景荣;衣宝廉;邢丹敏;刘富强;张华民;;再铸Nafion膜的制备与电池性能评价[A];第四届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C];2001年
9 ;Electrochemical Behavior of Nafion~/Nano-TiO_2 Hybrid Membranes Under Different Conditions[A];2005年纳米和表面科学与技术全国会议论文摘要集[C];2005年
10 吴淑春;赵广英;;基于Nafion/硫堇/纳米金的副溶血性弧菌无试剂电流型免疫传感器的研制[A];中国食品科学技术学会第五届年会暨第四届东西方食品业高层论坛论文摘要集[C];2007年
中国重要报纸全文数据库 前1条
1 高建敏 田文婧;兢兢业业写科研人生[N];科技日报;2012年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 刘红光;钛酸钡/Nafion基离子聚合物金属复合材料力—电耦合特性研究[D];南京航空航天大学;2017年
2 李磊;直接甲醇燃料电池聚合物电解质的研究[D];天津大学;2003年
3 邓会宁;含有杂萘联苯的聚芳醚电解质膜研究[D];天津大学;2004年
4 王世铭;Nafion模板法单分散纳米粒子的合成、结构与性能研究[D];福州大学;2006年
5 王宝龙;侧链型磺化聚芳醚酮Nafion改性剂的制备及Nafion复合膜的性能研究[D];吉林大学;2017年
6 汪南方;全钒液流储能电池非氟隔膜的制备与性能研究[D];中南大学;2012年
7 潘曹峰;硅和Nafion纳米线的制备及其在纳米能源中的应用[D];清华大学;2010年
8 王强;固水界面的电化学性质及其对PEMFC的意义[D];武汉大学;2010年
9 张瑞;水溶液中电化学还原二氧化碳制甲酸的研究[D];东南大学;2015年
10 王茹洁;自增湿超薄型及自组装型PEM的低湿性能优化[D];大连理工大学;2015年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 关业辉;基于Pt/C/Nafion敏感电极的燃料电池型CO传感器的研究[D];吉林大学;2017年
2 万红;介孔磺酸化氧化锆的制备及复合膜研究[D];南京大学;2017年
3 田永梅;Nafion-有机复合膜制备与电化学性能研究[D];黑龙江大学;2006年
4 彭进才;PtCu/CeO_x/C/Nafion 电极制备及结构性能研究[D];昆明理工大学;2015年
5 苏晶;基于Nafion膜的钒电池用新型阻钒离子膜制备与性能研究[D];哈尔滨工业大学;2013年
6 何青松;IPMC改性及其驱动微泵的设计[D];南京航空航天大学;2010年
7 苏蕾;全钒液流电池用Nafion复合膜的制备与研究[D];大连理工大学;2017年
8 向翠丽;Nafion膜修饰电极的研究与应用[D];华中师范大学;2006年
9 郭惠妍;Nafion修饰炭基固体酸的制备及其催化四氢呋喃聚合性能[D];山西大学;2017年
10 陈红香;Nafion基氧化还原聚合物在空气中的电荷传输性能[D];厦门大学;2007年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026