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Nafion/金属复合材料的制备及电形变性能研究

马春秀  
【摘要】: 离子聚合物金属复合材料(Ionic Polymer-Metal Composite, IPMC)是一种新型智能材料,在较低电场的作用下能发生较大的形变,由其构成的致动器具有致动方式简单、效率高、致动电压低、操作安全、重量轻等优点。IPMC在仿生机器人、应力传感器、人工肌肉、生物医用和仿生材料等方面有广泛的应用前景。本课题从研究材料的实际应用角度出发,基于IPMC基体材料的分子结构和IPMC材料制备过程中发生的化学反应,以Nafion-117为IPMC的基体膜,采用浸渍还原化学沉积法,制备了在离子聚合物膜两侧为Ag金属电极的IPMC(Ag-IPMC)和Ni金属电极的IPMC(Ni-IPMC)。 首先采用浸渍还原化学沉积工艺制备了IPMC,并对其影响因素进行了分析。利用扫描电子显微镜和能谱分析方法分别对IPMC的微观形貌和电极厚度进行了研究;并对IPMC的表面电阻、不同温度下的吸水性能进行了分析。结果表明:在制备IPMC的过程中,Ag-IPMC比较稳定,而Ni-IPMC在浸渍还原反应中容易发生自分解。由IPMC的电镜照片发现,经二次化学还原后IPMC的电极层致密性和平整性比一次化学还原的要好,金属元素在基体膜内部呈梯度分布。IPMC的吸水性能随温度升高均增加。 最后从负载电压、形变电流、失水率和电极厚度等影响因素方面讨论了IPMC电形变性能,并以悬臂梁模型为基础推导出了IPMC形变应力计算公式。研究发现,负载电压较低时(小于7V),IPMC形变的重复性较高;继续增加电压,IPMC弯曲程度随着电压的增加而上升但形变幅度增大趋缓;当负载电压增加到一特定值时,IPMC形变位移达到最大值。在负载电压一定的情况下,反应电流在形变过程中随反应时间的延长而逐渐降低;通过在IPMC表面涂一层油脂作为保护层,可以有效的减缓IPMC的失水率,从而提高IPMC的顶点形变位移和连续形变次数等电形变性能;通过多次渗透还原工艺可制备具有一定电极厚度的IPMC,随着IPMC电极沉积厚度的增加其末端输出力、形变应力相应增大。在相同的负载电压下,电极厚度为23.8μm的Ag-IPMC的形变应力可达4.5MPa,电极厚度为20.15μm的Ni-IPMC的形变应力可达3.52MPa。 本文的研究结果表明,Ag-IPMC和Ni-IPMC具有较好的电形变性能,是一种新型的IPMC材料,但在IPMC的制备工艺方面、电形变性能指标的提高和表征手段等方面尚需更深入的研究。


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