Hybrids perfluorosulfonic acid ionomer and silicon oxide membrane for application in ion-exchange polymer-metal composite actuators

This paper reports a new technique to fabricate an ion-exchange polymer-metal composite (IPMC) actuator. This technique is based on a hybrid organic-inorganic composite membrane. In the fabrication course, silica oxide particles, prepared from hydrolysis of tetraethyl orthosilicate in situ with sol-gel reaction, co-crystallize with perfluorosulfonate acid (PFSA) ionomer. Attenuated total reflectance fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR) analyses demonstrate that a highly water-saving hybrid mem...     

Preparation and performance of IPMC actuators with electrospun Nafion-MWNT composite electrodes

A new ionic polymer actuator was prepared with Nafion^®-117 membrane and electrodes made of an electrospun Nafion^®/multiwalled carbon nanotube (MWNT) web. The surfaces of composite electrodes were ion-beam coated with gold layers of 2-3 μm thickness to reduce the surface resistance. The composite electrodes offer several advantages over conventional platinum electrodes prepared via electroless plating process, i.e. flexibility, simple processability in large scales, and batch-to-batch reproducibility. The new ionic polymer-metal composite (IPMC) actuators showed a rapid and large bending motion. Under an applied potential of 3 V dc, the maximum horizontal displacement (δ_max) measured at the tip of IPMC strip (cantilever length: 20 mm) was 16.7 mm, the tip velocity in the initial linear region was 10.5 mm/s, 88% of the δ_max was reached within initial 5 s, and the generated strain% was 0.79 (13.6 mm, 7.2 mm/s, 85%, and 0.88, respectively for a conventional Nafion^®-IPMC made via the electroless plating of platinum). It was noted that the energy efficiency of strain was over 10 times higher than that of the conventional Nafion^®-IPMC. And the crack formation of metal electrode after repeated bending deformation significantly reduced with the introduction of relatively flexible electrode assembly into the IPMC architecture. The remarkable improvements in its performance were considered to be due to the efficient quantum chemical and double-layer electrostatic effects in a charge injection model, induced by the good dispersion of MWNTs through a typical electrospinning technique.     

IPMC的力输出特性

IPMC(ion-exchange polymer metal composite)离子交换聚合物-金属复合材料)是一种人工肌肉材料,其较低的驱动电压能产生较大的位移变形,研究了IPMC这种智能材料的输出力特性.实验选取了不同电压幅值,不同频率的方波、三角波、正弦波3种波形作为电激励信号,通过力传感器实测了IPMC试样末端的输出力.结果表明,随着电压幅值的增大,其输出力也增大;随着电刺激信号频率的降低,其输出力也增大;而波形对其输出力影响不显著.     

离子聚合物金属复合材料电致动模型研究

离子聚合物金属复合材料（ionic polymer-metal composites,IPMC）是一种新型电致形变高分子材料,具有广阔应用前景。为了有效描述IPMC的形变规律,基于IPMC致动原理提出了一种电致动模型。建立了阶梯电压下IPMC膜内水合阳离子的力平衡方程,由水合阳离子的浓度分布及水分子的扩散计算得出水分子的浓度以及含水量分布,结合实验所确定的含水量和应变的关系从而确定IPMC沿厚度方向的应变分布。该计算方法适用于不同形状的IPMC致动器。以悬臂梁IPMC致动器为例,通过应变分布计算得到IPMC致动器在阶跃电压下的输出弯矩和相应的位移响应,模拟结果与实验结果的瞬时响应规律高度一致,证明该模型正确。该模型的建立为IPMC结构驱动一体化设计奠定了坚实的基础。     

离子聚合物金属复合材料驱动器的制备与性能研究

以离子聚合物金属复合材料(IPMC)作为驱动器,应用于新型仿变形虫机器人运动中,为满足运动系统参数要求,研究了IPMC智能材料的结构、弹性模量与加电变形性能.实验制备了IPMC材料,采用SEM对其表面及断层电极金属形貌进行表征,纳米压痕仪测量其硬度及弹性模量,对加电形变性能采用跟踪记录材料变形过程,并运用图像处理,展示...     

铂型IPMC的含水特性及静态拉力测试

离子聚合物金属复合材料(IPMC)是一种典型的电活性聚合物。以Nafion117离子交换膜为基体,用化学沉积方法制备利用金属铂(Pt)作为电极的IPMC材料(Pt-IPMC),并利用扫描电镜对Pt-IPMC样件的微观形貌进行观察。结果表明,Pt-IPMC的电极具有良好的沉积效果,样件的电极层厚达20μm;在3 V直流电压的驱动下,电致动位移达到90°。实验对基膜和样件含水率进行了测试,并搭建IPMC力学测试平台,对IPMC静态输出拉力进行测试。测试结果表明:在0～5.5 V直流电压范围内,样件的输出拉力与直流驱动电压近似呈线性关系,最大拉力可达到159.05 mN;当电压超过5.5 V时,输出拉力发生跃变。     

IPMC型柔顺手爪作动器的设计与性能测试

为克服传统手爪机构传动链多,耗能大,结构复杂等缺点,设计并制作了一种应用电致动智能材料(IPMC)的柔顺手爪。运用Pro/E软件设计IPMC手爪的主体结构,并分析其运动过程,最终装配完成IPMC手爪;运用激光位移传感器,精密电子秤和Canon相机测试了研制的4片IPMC驱动薄膜的末端位移,端部力和平均运动速度,并通过Labview测试系统对其进行采样和分析。实验结果表明:IPMC手爪驱动元件的角位移在3V电压激励下超过了180°(-3V电压下负向位移与+3V电压下正向位移之和);其末端位移大小为其自身(除固定部分外)总长;手爪驱动薄膜每片重量约为0.5mg,可抓握质量为1.6g左右的物体。该手爪结构简单、位移大、耗能低;同时,由于IPMC的柔顺特性,在抓取物体时它会贴附在其表面,而不破坏其表面精度。因此,这种手爪适用于抓取表面粗糙度要求高的物体。     

制备温度对Ag-IPMC拉伸及致动性能的影响

在不同的沉积温度-修饰温度(25℃-25℃,15℃-25℃,15℃-15℃,10℃-10℃,7.5℃-15℃,7.5℃-7.5℃)设定下,以化学沉积的方法制备银型离子聚合物金属复合材料(Ag-IPMC),并对制得试样进行了表面形貌观察以及拉伸测试和动态位移测试。结果表明: 制备温度在7.5~25℃范围内,反应温度越低,离子交换膜表面所沉积的银粒子团聚颗粒越细小。在7.5℃-7.5℃下制备试样比25℃-25℃下制备的试样团聚颗粒直径小60%。电极厚度受温度影响较大,不同温度下内、外层电极厚度差异明显(内: ~130%,外: ~70%); 制备温度在15℃-15℃的试样具有最大的弹性模量(比最小值大28%)。在实验温度范围内,最大驱动变形量随着反应温度的降低而增大,其最大值比最小值大80%。     

IPMC微泵驱动膜的设计及结构优化

利用离子聚合物人工肌肉(IPMC)固有的电致动性能,设计了圆盘形、S形、条形及扇形4种不同结构的致动膜,选择最优结构的驱动膜以驱动微泵。制备了一系列IPMC悬臂梁状致动器,利用激光位移传感器测出不同条件下致动器产生的位移。ANSYS软件下,利用位移推导出IPMC单元体的弯矩,以此计算衡量微泵的体积变化和最大工作压力。同时,分析了泵膜形状、半径、厚度、驱动电压对泵体积变化和工作压力的影响。结果表明:较之于其它3种泵膜,扇形泵膜的体积变化量最大;泵膜半径的增加有利于增大体积变化量;泵膜厚度的增加有利于增加工作压力;适当地增加驱动电压,可同时提高其工作压力和体积变化量。     

多壁碳纳米管改性铂型IPMC的试验研究

将一种全氟磺酸树脂(Nafion)与多壁碳纳米管(MWCNTs)分别按质量比100:1、 100:3、 100:5进行配比, 采用溶剂浇铸法配合超声波分散法制备MWCNTs/Nafion型离子交换膜(IEM), 在此基础上利用化学沉积法制备铂型离子聚合物金属复合材料(Pt-IPMC), 考察三种MWCNTs负载量对IEM及Pt-IPMC性能的影响。采用SEM配合EDAX研究Pt的沉积效果, 对IEM及Pt-IPMC试样进行拉伸测试, 采用数字信号发生器为激励源测试Pt-IPMC的动态位移。结果表明: 添加MWCNTs使Pt-IPMC的内、 外电极厚度分别增加200%~250%和180%~200%, 使IEM及Pt-IPMC的弹性模量分别提高57.92%~140.85%和9.06%~52.85%; MWCNTs有效修饰了Pt-IPMC的内电极, 并明显提升其动态位移量、 动态响应及变形速度。