【摘 要】
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离子聚合物-金属复合材料(IPMC)是一种电致动柔性智能驱动材料,具有驱动模式简单、驱动电压低、响应速率快、工作环境干燥、轻量化等诸多优势,是目前比较适合开发新型智能驱动器的一类材料。然而,基于IPMC的智能材料虽然具有众多优势,但也面临着响应速率和变形量难以同时提升、驱动力不足、变形模式单一等问题,这在一定程度上限制了IPMC智能材料的实际应用。因此,优化IPMC智能驱动材料的各功能指标,制备高
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离子聚合物-金属复合材料(IPMC)是一种电致动柔性智能驱动材料,具有驱动模式简单、驱动电压低、响应速率快、工作环境干燥、轻量化等诸多优势,是目前比较适合开发新型智能驱动器的一类材料。然而,基于IPMC的智能材料虽然具有众多优势,但也面临着响应速率和变形量难以同时提升、驱动力不足、变形模式单一等问题,这在一定程度上限制了IPMC智能材料的实际应用。因此,优化IPMC智能驱动材料的各功能指标,制备高性能智能驱动材料与智能器件,是推动其在各领域高效应用的关键。基于此,本论文以IPMC柔性智能材料为研究对象,通过对其材料进行设计,大大提升材料原有功能属性,并开发一系列新型IPMC仿生智能材料,旨在突破目前IPMC智能材料的技术瓶颈,开展高性能IPMC仿生智能驱动器研发,为绿色、低耗、高效仿生智能驱动器的制备与应用提供新思路、新途径。主要研究结论如下:(1)以商业化的Nafion 117薄膜作为离子交换聚合物薄膜,创新地采用异丙醇辅助化学镀技术成功地制备了具有高比表面积Pt电极IPMC智能材料。异丙醇的引入不仅使所制备的Pt电极具有均匀分散的褶皱结构,增大Pt电极的比表面积,还可以在Nafion薄膜内部形成尺寸更大的离子簇,使得所制备的IPMC智能材料具有较大的比电容,十分有利于Nafion薄膜内水合阳离子的扩散;直流电压的驱动下,IPMC的尖端位移量可达到35.3 mm,是其自由长度25 mm的1.4倍,弯曲应变为0.79%,在交流电压的驱动下,IPMC智能材料可以无延迟地响应交流电压的变换频率,并产生较大的形变位移量,2 Hz频率下位移达到2mm以上。(2)制备了Pd/Pt复合电极IPMC,引入Pd作为电极缓冲层,有效地提升了IPMC的电容性能、驱动力,同时兼具优异的变形性能与响应速度。4 V直流电压下位移变形量达到36.5 mm,是自由长度的1.46倍,弯曲应变为0.82%;交流电压位移响应与高比表面积Pt电极IPMC相仿;Pd/Pt复合电极IPMC智能材料的弯曲变形能够产生较大的驱动力,在5 V直流电压的驱动下,其尖端所产生的阻滞力最大为33 m N,相当于4.2 MPa,相比纯Pt电极IPMC有了较大提升。(3)受到自然界植物多种运动形式的启发,将仿生定向条纹结构引入IPMC智能材料,对Nafion基体膜界面进行结构修饰,提升了电极界面比表面积,所制备的IPMC驱动器获得良好的电容性能,具有仿生结构的IPMC的比电容为110 m F g-1,是不含仿生结构的IPMC的比电容(73 m F g-1)的1.5倍;在仿生结构的修饰作用下,IPMC智能材料可实现更为复杂的多维度螺旋变形。(4)基于不同类型的IPMC智能材料,制备了一系列仿生智能驱动器,IPMC仿生机械臂最高可承受20倍重的物体;IPMC电极优秀的导电性使其可以作为逻辑电路中的柔性开关;仿生IPMC花朵的开放和闭合、仿生IPMC蜜蜂的振翅行为实现了IPMC对植物、动物的模仿;IPMC机械手实现了对重物的抓取、释放和转移;IPMC仿生爬双足与四足爬行器均可以在交流电压的驱动下向前爬行,平均速率分别为0.44 mm s-1和0.32 mm s-1。
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