生物凝胶电致动器的致动性能及致动偏转机理研究

摘要

生物凝胶电致动器，作为一种新兴的智能材料，具有制备工艺便捷、驱动电压低（<10V）、生物兼容性好、柔韧性大、价格低廉等优点，在航天、水下装备、仿生制造、生物医疗及能量收集等领域具有广泛的应用前景，成为了当今学术界的研究热点，被列为国家高科技创新能力的前沿技术之一，是21世纪人工智能研究的新趋势。
　　针对传统离子凝胶电致动器的聚合物与交联剂存在毒性大、生物兼容性差、成本高昂等问题，采用壳聚糖作为聚合物制造生物凝胶电致动器，提出了生物凝胶电致动器的制备工艺方法；通过生物交联方法对聚合物进行交联，研究了聚合物交联下生物凝胶电致动器致动性能的影响规律；针对内部运动离子诱发生物凝胶电致动器的运动偏转问题，采用稀酸溶液与离子液体作为离子电解质溶液，研究了在不同运动离子下生物凝胶电致动器偏转致动性能规律，阐明了生物凝胶电致动器的偏转机理，给出了生物凝胶电致动器运动偏转行为的调控方法，主要研究工作包含以下几个方面：
　　（1）采用壳聚糖作为聚合物制造生物凝胶电致动器，提出了生物凝胶电致动器的制备工艺方法；建立了生物凝胶电致动器致动性能的实验测试方法；采用正交实验方法研究了生物凝胶电致动器在四因素三水平下的热压工艺效果，通过单因素下生物凝胶电致动器的致动性能验证了正交实验结果。
　　（2）基于离子液体作为离子电解质溶液，研究了不同MCNT质量分数的电极层与不同厚度的电驱动层的生物凝胶电致动器的致动性能规律；建立了生物凝胶电致动器的电机械效率模型，研究了不同MCNT质量分数下生物凝胶电致动器的电机械效率规律；采用三层电极模型对生物凝胶电致动器的应变与弹性模量关系进行说明；通过失效分析证实了失效前后电驱动层的物质属性无变化。
　　（3）采用稀酸溶液（醋酸溶液、乳酸溶液与硝酸溶液）作为离子电解质溶液，对比研究了离子液体类与稀酸溶液类生物凝胶电致动器的致动性能；给出了稀酸溶液类生物凝胶电致动器性能差异的原因，阐明了运动离子属性与电驱动层的力学性能对生物凝胶电致动器致动性能改善的机理。
　　（4）制备了京尼平作为交联剂在聚合物交联状态下的生物凝胶电致动器，通过红外测试证实了聚合物交联结构的存在；研究了不同交联比例下生物凝胶电致动器的致动性能规律；阐明了聚合物交联网格改善生物凝胶电致动器致动性能的机理为过大的空隙结构会诱发电驱动层水分泄漏，造成离子电解质溶液缺失，过小的空隙结构束缚离子运动，增加运动阻力。
　　（5）研究了离子液体类生物凝胶电致动器的阳极偏转现象与稀酸溶液类生物凝胶电致动器的阴极偏转现象，发现了稀酸溶液类生物凝胶电致动器具有优异的致动性能；阐明了生物凝胶电致动器阳极偏转机理与阴极偏转机理；提出了生物凝胶电致动器偏转方向的可调控方法；基于Nernst-Planck经验方程，建立了生物凝胶电致动器的多物理场模型，实验验证模型的可靠性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究的目的及意义

1.2 离子凝胶电致动器的国内外研究现状

1.3 离子凝胶电致动器的运动离子类型与聚合物交联的国内外研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 生物凝胶电致动器制备工艺与热压效果研究

2.1 引言

2.2生物凝胶电致动器的制备工艺方法

2.3 生物凝胶电致动器的实验测试与致动性能评价

2.4生物凝胶电致动器的热压工艺研究

2.5 本章小结

第3章 离子液体类生物凝胶电致动器的致动性能研究

3.1 引言

3.2 不同MCNT质量分数电极层的生物凝胶电致动器的致动性能

3.3 不同电驱动层厚度的生物凝胶电致动器的致动性能

3.4 本章小结

第4章 稀酸溶液类生物凝胶电致动器的致动性能研究

4.1 引言

4.2离子液体类与稀酸溶液类生物凝胶电致动器致动性能对比

4.3不同离子电解质溶液下的致动性能改善机制研究

4.4 本章小结

第5章 生物交联方法对生物凝胶电致动器致动性能的影响研究

5.1 引言

5.2京尼平交联壳聚糖的实验条件与交联方法

5.3聚合物交联电驱动层的生物凝胶电致动器的致动性能

5.4交联状态下生物凝胶电致动器的致动性能改善机理研究

5.5 本章小结

第6章 生物凝胶电致动器的偏转机理研究与多物理场模型构建

6.1 引言

6.2 离子运动诱发的偏转现象与偏转机理研究

6.3 微观机理与经验公式结合下的力-电-化学多物理场模型研究

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间的科研成果

致谢