IPMC粗糙界面制备、仿真及影响规律研究

发布时间：2020-04-18 14:35

【摘要】：离子聚合物-金属复合材料(IPMC)是一种典型的电活性聚合物,基于离子迁移的换能机制和特殊的结构使其具有质量轻、驱动电压低、响应迅速、变形大、柔韧性好等独特的特性,并在电子器件、生物医疗、航空航天、仿生机器人等领域展现出可观的应用前景。然而现有研究对IPMC材料界面功能特性和影响机制认识不足,阻碍了IPMC进一步发展。本文围绕IPMC粗糙界面对界面建模仿真及其对机电性能的影响机制展开了深入的研究。本文首先根据现有IPMC制备工艺,调整工艺参数,设计了一组正交实验,制备了不同界面特征的9片IPMC材料。通过SEM分析了IPMC材料的形貌特征,获取了电极厚度和界面面积,并简要分析了界面生成的原因。利用激光位移传感器和Labview软件等设计实验平台测试了材料的电致动性能,利用电化学工作站测试材料的C-V曲线并计算了其电容值,采用分规法计算了界面的分形维数。基于现有研究对粗糙界面拟合未能表现IPMC界面特征的情况,提出将W-M函数运用到模拟界面轮廓。基于有限元的思想,建立了基于W-M函数拟合界面轮廓的方法。精炼了前人对IPMC材料内部传质的研究,利用泊松方程和Nernst-Planck方程在COMSOL软件中建立了内部传质模型,并提出特征浓度的概念来反应材料变形情况。将提取的实际界面、平电极和Koch曲线模型作为对比,分析了基于W-M函数模型的拟合结果。与实际界面相比,平电极模型误差极大,W-M函数模型的误差均小于4%,不同迭代次数的Koch曲线模型适合特定分形维数的界面。基于拟合结果,本文提出了有关特征尺度的经验公式,对以后采用W-M函数拟合界面提供一定的指导。基于W-M函数的核心参数——分形维数和特征尺度提出特征粗糙度的概念对界面轮廓进行表征。通过正交实验极差分析法,分析了工艺参数对IPMC界面特征粗糙度的影响情况,发现主次顺序为:砂型浸泡还原镀次数喷砂压强=喷砂时间。此外,通过数据分析表明随着界面特征粗糙度增加,IPMC电容和尖端位移整体上都呈现增大的趋势。本文对IPMC粗糙界面的研究结论,对IPMC粗糙界面表征、建模仿真和工艺改进提供了重要的参考依据和研究基础,将推动IPMC在工程上的进一步应用。
【图文】：

结构图,结构图,电子型

处理且本身可执行的新型功能材料。智能材料因其独特的展提供了新的思路，是现代高技术新材料的重要发展方向义下的功能材料和结构材料的界限，，可实现结构功能化与研发是响应社会发展的需求，为技术革新提供有力的支持。简介聚合物（Electroactive Polymer，简称 EAP）是一类在电场尺寸或形状变化的新型柔性智能材料[1]，可实现电能和机物按照换能机制的区别可分为离子型和电子型[2]。不同于）的电子型 EAP，离子型 EAP（简称 IEAP）是一种基于驱动电压一般为 1-10V，因其应变、强度、能量密度等为人工肌肉‖。IEAP 对传统驱动方式的革新以及为实现装置带来了曙光，迅速成为了科学研究的热点。

示意图,内部质量,材料变形,示意图

合肥工业大学硕士学位论文主要包括离子聚合物－金属复合物（Ionic Polymer-M轭聚合物（Conjugated polymers，CJP）[5]、导电型聚合）[6]、巴克凝胶（Bucky Gel，BG）[7]、离子凝胶（C 是离子型电致动聚合物中最具有应用潜力的材料。是一种典型的湿型电活性聚合物，由中间聚合物和边 1.1 是基膜为 Nafion、电极为 Pd 的 IPMC 材料截面电 1.2 所示，在电场作用下，内部阳离子携带水分子由阳分布不平衡，体积发生溶胀，从而产生宏观上的弯曲
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33

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