IPMC应变分布的DIC分析及其力电耦合模型研究

发布时间：2020-04-13 15:54

【摘要】：离子聚合物金属复合材料(Ionic Polymer Metal Composite,IPMC)是电活性聚合物的一种,在机器人、航空航天等领域有广泛应用前景。真实的应变响应能够揭示形变与激励的关系,是材料理论建模与工程应用的基础。然而,传统的应变测试技术不适用于IPMC材料。本文将数字图像相关技术(Digital Image Correlation,DIC)用于IPMC的细观变形测试,并结合其力电特征及变形特性,进行了力电耦合建模研究。本文对实验室自制的Pt-IPMC进行了结构特征、力电参数和驱动性能三项表征,得到了IPMC的含水率变化、拉伸力学性能、表面电阻和极间电参量,另外对IPMC的尺寸效应进行了测试。本文利用DIC测试原理结合数字图像显微测试系统,搭建了位移和应变响应测试系统。分别控制激励电压、激励频率、变形横纵截面位置、驱动时间等多个变量,对比分析了位移与应变响应在不同变量组合下的分布规律,进而分析了主应变、纵向正应变和横向正应变的分布规律。结果显示,IPMC弯曲变形中存在应变梯度,且应变梯度的分布与外加激励电压具有线性关系。除此以外,本文还对DIC方法中可能存在的实验误差进行了详细分析,选择了适合的实验方法和参数。将DIC测试结果作为力电耦合关系引入分布式电学模型中,提出了IPMC的力电耦合经验模型。IPMC作为层状复合材料,横截面上的应力不连续分布,但变形与应变连续分布。该力电耦合模型根据应变关系建立,不涉及不连续的应力关系,能够较好地模拟IPMC的非线性大变形行为。驱动位移实测值与计算值的对比显示,模型误差值不超过10%。
【图文】：

等效电路模型

图 1. 5 IPMC 等效电路模型[44]图 1. 6 IPMC 的分布式 RC 等效电路模型[53]力电耦合模型，，研究者们也做了大量工作，以更好的描述adokoro 等[55]针对材料内水合阳离子的微观迁移运动，通过kov 等[56]针对 IPMC 在较高电压下发生的电解现象，根据过，根据热力学关系建立了离子迁移的流量模型。Gennes 等迁移和溶剂迁移之间的静态线性热力学关系。Bonomo 等

等效电路模型

图 1. 6 IPMC 的分布式 RC 等效电路模型[53]杂的力电耦合模型，研究者们也做了大量工作，以更好的描述 IP。Tadokoro 等[55]针对材料内水合阳离子的微观迁移运动，通过分Enikov 等[56]针对 IPMC 在较高电压下发生的电解现象，根据过电模型，根据热力学关系建立了离子迁移的流量模型。Gennes 等[13]离子迁移和溶剂迁移之间的静态线性热力学关系。Bonomo 等[57]分别为离子电流、位移电流和电子电流，对 IPMC 材料的力电特学中的数字图像相关方法学中，要测量材料和结构在不同载荷下产生的表面变形，最为普技术，但是其逐点测量的特性逐渐无法满足全场测量的需要，于提出。这种方法可以分为两类，一是干涉测量技术，例如全息干法，二是非干涉测量技术，例如网格法和数字图像相关法（Digital I测量技术需要相干光源且测量往往在隔振光学平台上进行，通
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33

【参考文献】