基于IPMC人工肌肉的电学性能和等效电路模型研究

摘要

离子聚合物金属复合材料（Ionic Polymer Metal Composite,IPMC）是近几年发展起来的一种低压大形变的智能柔性复合材料，具有能量密度高、应变能力强、生物相容性好等特点，被称为“人工肌肉”。在微机电系统、仿生技术、医疗装备等领域有着广泛的应用前景。虽然IPMC具有众多优点，但其电响应性能尚不稳定，电激励机理也不完善，目前主要停留在实验室研究阶段。为了深入了解IPMC的运动机理并进一步提高其性能，本文在IPMC的制备工艺、基本电学性能方面进行了理论研究和实验验证，搭建了IPMC电学特性实验平台，开展了IPMC执行器等效电路模型的研究。
　　本文采用化学沉积法分别制备了银（Ag）电极、铂（Pt）电极的IPMC执行器，分别采用环境控制法、还原温度控制法改进了两种执行器的制备工艺。采用扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析仪（EDS）对样品进行观测，获得了执行器的微观形貌特征、电极结构及元素含量特点。研究了电极类型、保存环境以及封装工艺对IPMC执行器含水率的影响。测量了执行器的表面电阻、极间电阻与电极厚度之间的变化关系，研究了激励电场在IPMC表面电极上的分布规律。开展了不同激励条件下IPMC响应能力的研究，根据执行器中离子迁移、静电力及库仑力的作用特点，改进了基于IPMC非线性运动特征与响应电流关系的等效电路模型，并预测出不同电压激励下执行器的非线性电流，仿真和实验数据验证了模型的准确性。
　　通过理论研究和实验验证，本文在IPMC的基本电学性能和等效电路模型研究方面积累了一定的研究成果，为推动IPMC器件的功能化进程以及力—电耦合机理的研究提供了重要的研究基础和参考依据。

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Abstract

Contents

1 绪论

1.1 研究背景及研究意义

1.2 IPMC研究与发展概况

1.3 IPMC执行器模型概述

1.4 本文主要研究内容

2 IPMC执行器的制备

2.1 Ag-IPMC 执行器的制备工艺

2.2 Pt-IPMC执行器的制备工艺

2.3 制备工艺的改进

2.4 试样表面特征

2.5 本章小结

3 IPMC物理性能和电学性能测试

3.1 IPMC的含水率分析

3.2 IPMC表面电阻的测量与分析

3.3 IPMC极间电阻的测量与分析

3.4 IPMC的电场分布特性

3.5 本章小结

4 IPMC测试平台的搭建

4.1 IPMC测试平台的组成

4.2 主控芯片简介

4.3 JTAG电路设计

4.4 电源模块

4.5 波形产生模块

4.6 电压电流检测模块

4.7 本章小结

5 IPMC 执行器的测试与等效电路仿真

5.1 IPMC执行机构的基本原理

5.2 等效电路的搭建

5.3 等效模型的可行性验证

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 研究展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士期间主要成果