Ag-IPMC人工肌肉電致動性能及失效機理研究.pdf

1、IPMC(Ion-exchange Polymer Metal Composite)是一種新型離子聚合物金屬復合電致動智能材料，一般是通過化學鍍的方法，在基膜表面鍍金屬電極制備而成，這種材料具有功耗低、響應速度快、質量輕和柔韌性好等優(yōu)點。IPMC電極材料一般采用金和鉑，導致對于IPMC研究成本過高而限制了其推廣和應用，因此，研究制備低成本電極材料成為IPMC研究領域的一個重要研究方向，本文采用導電性良好的Ag作為IPMC人工肌肉兩側金屬

2、電極，利用還原法制備Ag-IPMC。通過對Ag-IPMC電致動性能及力學性能研究，利用其性能參數獲得人工肌肉驅動數學模型，進行仿真與實驗對比；對Ag-IPMC人工肌肉的失效現象進行分析，研究其失效機理，并進行了 Ag-IPMC制備工藝的優(yōu)化和研究，利用制備改進后的Ag-IPMC及膠接的柔性連接方式制作了實體模型，延長了Ag-IPMC使用壽命。
　　建立懸臂梁彎曲測試結構，研究了傳統(tǒng)制備方法得到的Ag-IPMC電致動性能，進行彎曲擺

3、動性能測試和分析。測試其尖端輸出力與驅動電壓幅值、驅動電壓頻率及驅動電壓波形之間的關系，尖端輸出位移與電壓、頻率之間的關系；針對 Ag-IPMC在不同情況下其含水率衰減進行了測試，并且研究了不同含水率下Ag-IPMC的尖端輸出速度、加速度和角位移特性，揭示含水率對Ag-IPMC電致動性能的影響規(guī)律。
　　對 Ag-IPMC人工肌肉的力學性能進行了研究，通過彈性模量及泊松比的測量，得到兩參數Mooney-Rivilin方程，利用公式

4、法求出不同含水率的Ag-IPMC的C10和C01系數，然后根據超彈性大變形方程對 Ag-IPMC在非電致動條件下建立數學模型，并對不同含水率的Ag-IPMC進行了力學仿真與實驗對比，并將計算結果與測量值進行對比得到誤差率，對 Ag-IPMC應變與失水關系進行分析；利用壓電模型將壓電雙晶片中壓電系數d31類比等效到 IPMC模型中進行計算，對其應變進行了分析，明確了含水率小是導致Ag-IPMC失水速度較慢的原因；最后，測得了不同含水率Ag

5、-IPMC的壓電系數，找出Ag-IPMC含水率隨壓電系數的變化規(guī)律。
　　進行Ag-IPMC的失效現象分析，研究失效機理。將Ag-IPMC失效前、后樣件進行對比，宏觀上認識失效樣件的異樣，為了明確 Ag-IPMC的失效現象，通過掃描電子顯微鏡對 Ag-IPMC樣件進了表面微觀結構觀察，對比分析電致動實驗前后樣件表面結構形態(tài)，Ag-IPMC在電激勵下運動失效，其表面發(fā)生了多種明顯的變化，且運動關節(jié)處出現應力集中使得其出現硬化現象，按

6、失效現象特點總結并進行分類；最后進行失效機理研究，通過能譜儀選取的3處新制Ag-IPMC樣件表面和5處失效Ag-IPMC樣件表面進行能譜掃描，分析Ag-IPMC樣件失效前、后其表面物質組分的變化規(guī)律，研究Ag-IPMC表面物質組分變化對運動失效的影響，揭示Ag-IPMC人工肌肉失效原因。
　　為了改進并提高Ag-IPMC的性能，避免其電致動過程中出現失效，研究Ag-IPMC的制備方法及制備工藝，通過對 Ag-IPMC失效現象和電激

7、勵效果進行分析總結，全面進行Ag-IPMC制備過程的改進、完善及優(yōu)化。還研究了幾個影響Ag-IPMC制備樣件質量的關鍵因素。
　　應用制備改進后的Ag-IPMC，對其采用膠接方法進行雙片并聯組合，形成仿生肌腱結構的柔性連接方式，并制作了仿生魚尾進行研究，目的是解決力輸出大小和夾持段處的失效問題，提高 Ag-IPMC在實際應用中的性能。主要研究以下幾個方面：魚尾結構模型制作、Ag-IPMC雙片并聯組合致動器制作、仿生魚尾的制作和魚尾