IPMC人工肌肉界面与材料设计、力电建模及仿生应用研究

摘要

动物的分布式（肌肉）驱动是它们具高灵活性、高冗余度和高负载/质量比的主要原因，研究具有类肌肉性能的驱动器件对高性能机器人和MEMS系统的发展具有重要意义。壁虎脚趾外翻内收的精巧运动控制与壁虎脚底微纳米刚毛所产生的尺寸效应的结合最终成就了壁虎飞檐走壁的绝活，因此，模仿壁虎脚趾的运动，获得一种具有良好适应性的可控黏附机构十分必要。离子聚合物金属复合物IPMC（Ionic Polymer Metal Composite）是一种离子型的电致动材料（EAP，Electro-active Polymer），它是在离子交换聚合物薄膜的基材表面沉积铂（Pt）、金（Au）等导电贵金属而获得的复合材料，和压电陶瓷、形状记忆合金等驱动材料相比，IPMC具有质轻、驱动电压低、位移大、响应快、无噪音、柔性、驱动能量密度较高等优点，又被称为“人工肌肉”。IPMC人工肌肉在几伏电压驱动下产生可控往复摆动，可实现类似壁虎脚趾运动，实现仿生脚趾外翻和内收，进行简单、有效和精巧的运动控制。
　　本论文主要工作包括：IPMC人工肌肉的界面与材料设计、力电模型建立、仿壁虎脚趾应用研究、黏附材料研制。论文的主要工作和创新如下：
　　（1）研究了聚合物膜与电极界面微纳米织构对IPMC性能的影响，发现大的交界表面积有利于提升IPMC驱动性能，这是由于大的交界面积产生大的电双层电容。采用电火花技术加工了不锈钢模具，使用研磨和热压综合表面处理的方式在Nafion膜表面形成微纳米沟槽形状的表面织构。较喷砂处理IPMC，综合表面处理IPMC的输出力、位移和电流分别增加4.39，2.35和1.87倍，有效空气作动时间延长5倍。
　　（2）采用表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）将多壁碳纳米管（MWCNT）分散于Nafion中，形成了均匀的、稳定的碳管悬浮液，该分散方法未采用强酸处理，保护了碳管固有的特性，提高了IPMC的力电性能。在此基础上采用连续浇铸法成功制备了三层Nafion结构，包括TEOS/Nafion中间层，外侧分别为MWCNT/Nafion层。在正弦电压输入信号（3V，0.1Hz）下多层IPMC（20mm×5mm×0.3mm）的输出力达到6.5gf，有效空气作动时间达到300s。
　　（3）成功制备了一种新型的离子聚合物金属-碳纳米管复合物（IPMCC）驱动器，将MWCNT，Pd，Pt沉积至Nafion薄膜作为复合电极。MWCNT层与Pd-Pt复合金属镀层结合牢固，填充金属镀层表面的裂缝，阻止纳米铂颗粒的氧化，保证了电极的稳定性。建立了考虑泄漏电流的电学模型，可以预测出电压激励下通过IPMCC的非线性电流特征。
　　（4）通过聚合物溶液浇铸法制备了不同厚度的Nafion膜，化学镀制备了不同厚度的IPMC，建立致动模型，分析了厚度对IPMC驱动性能的影响。结果表明随着厚度增加，IPMC输出力增加，但位移和电流降低。
　　（5）研制了一种新型的离子型电致动聚合物，由离子型电解质层夹层于两侧的石墨烯薄膜电极热压而成。扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射分析（XRD）、四探针测试仪观测研究了石墨烯薄膜。接触角测试仪器测试了电解质层的表面能。在不同输入电压下，该离子型驱动器显示了0.032~0.1％（305~945μm）的稳定弯曲应变。
　　（6）采用IPMC人工肌肉的主动驱动技术模仿壁虎脚趾的运动，可有效驱动人工黏附阵列黏附、脱附墙壁。通过两种交联剂、碳纳米管和石墨烯制备了一种新的聚二甲基硅氧烷（PDMS）黏附材料，该新型黏附材料具有较好的黏附性能、足够的弹性模量、重复使用性。

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注释表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 IPMC致动机理和驱动模型的研究进展

1.3 IPMC性能改进的研究现状

1.4 IPMC的应用

1.5 IPMC研究存在的问题

1.6 本文主要工作内容

第二章 界面织构设计与IPMC电致动性能

2.1具微纳米表面织构的Nafion膜及IPMC制备

2.2 界面织构化IPMC的测试结果与讨论

2.3 本章小结

第三章 多壁碳纳米管改性的IPMC的电致动性能

3.1 MWCNT/Nafion-IPMC的制备及电机械性能测试

3.2 三层结构Nafion膜及IPMC电致动性能测试

3.3 本章小结

第四章 离子聚合物金属-碳纳米管复合物及其电流模型

4.1 离子聚合物金属-碳纳米管复合物制备

4.2 电流模型建立

4.3 本章小结

第五章 浇铸不同厚度IPMC的实验研究和电致动模型分析

5.1 不同厚度IPMC的制备

5.2 不同厚度IPMC的力-电性能

5.3 力学模型分析和讨论

5.4 本章小结

第六章 新型电致动器、电双层理论及传感特性

6.1新型电致动器

6.2 电双层理论

6.3传感特性测试

6.4 结论

第七章 人工肌肉的仿生应用研究及新型黏附材料的研制

7.1 IPMC人工肌肉驱动的仿壁虎脚趾

7.2 新型黏附材料的研制

7.3 IPMC在胶囊机器人中的应用

7.4 本章小结

第八章 结论和展望

8.1 主要工作与结论

8.2 本论文的创新点

8.3 有待进一步研究的问题

参考文献

致谢

攻读学位期间取得研究成果