钛酸钡/Nafion基离子聚合物金属复合材料力-电耦合特性研究

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BaTiO3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BaTiO3改性IPMC材料制备工艺。采用溶液-浇筑法制备BaTiO3/Nafion离子交换膜，采用温控化学沉积法制备Pt型BaTiO3/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BaTiO3/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BaTiO3/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：BaTiO3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BaTiO3/IPMC试样的电致动响应性能。研究不同掺杂质量比的BaTiO3/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BaTiO3后，IPMC的变形能力和力输出能力有显著提高，其中BaTiO3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BaTiO3/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BaTiO3/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。

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