离子聚合物金属复合材料的力学行为研究

Ionic Polymer Metal Composite(IPMC) is a new type of flexible functional material, which has broad prospects in fields like bionic drive, bio-medical and aerospace. Using IPMC prepared under conventional chemical deposition as research object, this study intends to precisely measure its mechanical and electrical parameters by building a integrated testing system of mechanics and functional characteristics; based on classical theories as micromechanics, composite material mechanics and irreversible thermodynamics, focused on the migration of active polar carrier as the main associated factor, component gradient changes and internal electric field gradient changes under different excitation conditions are considered, thus establishing the double gradient (functionally gradient material - electric field gradient) mechano-electrical model of IPMC. The deep research of IPMC lays an important foundation for the further exploration of its actuating mechanism and the quantitative description of its driving ability.

离子聚合物金属复合材料（Ionic Polymer Metal Composite，IPMC）是一种新型柔性功能材料，在仿生驱动、生物医疗和航空航天等领域具有广阔前景。本研究以常规化学沉积法制备的IPMC为研究对象，构建集力学与功能特性为一体的测试系统，对IPMC力学与电学参数进行准确测量；运用细观力学、复合材料力学，以及不可逆热力学等理论，以活性极性因子的迁移为主要关联因素，考虑IPMC不同组分材料的梯度变化，以及受激励状态下其内部电场的梯度变化，建立IPMC双梯度（材料梯度－电场梯度）力－电耦合模型，为进一步探索IPMC的致动机理、定量描述其驱动能力打下重要基础。

离子聚合物金属复合材料（IPMC）是一种新型电致驱动功能材料，具有密度小、响应快、柔韧性好等优点，在仿生机构、生物医学、航空航天等领域具有广泛的应用前景。本项目的研究是为了应对IPMC所面临的挑战：如何改性IPMC，以增大驱动力；如何从基本性能中，进一步分析IPMC的驱动响应；如何针对非线性大变形的特点，完善IPMC的力-电耦合模型等。本项目取得的阶段创新研究结果如下：.通过掺杂和优化制备工艺，获得了性能稳定的BaTiO3/IPMC，为IPMC建模研究提供了较为准确的内外电极分布等重要参数。采用溶液-浇注法制备掺杂量为0-7wt%的BaTiO3改性Nafion基离子交换膜，采用温控化学沉积法制备Pt型和Ag型IPMC；通过扫描电镜结合电子能谱分析对试样进行表征，获得了IPMC的基膜、电极微观形貌特征以及电极结构特点。 .采用实验力学等手段，表征了IPMC的基本力学和电学性能参数，获得了电致驱动下BaTiO3/IPMC真实应变响应特性，揭示了IPMC的形变响应和应变分布规律。研究表明：加入BaTiO3纳米颗粒后，IPMC的含水率下降，弹性模量明显提高；IPMC的表面电极电阻随其弯曲曲率的变化而变化，试样尺寸影响极间电容和电阻等参量；在直流和交流电压激励下，BaTiO3含量为3wt%时，BaTiO3/IPMC的变形能力和力输出增强效果最好，相较无掺杂IPMC，测点位移增大101.4%，响应速度提高72.4%；通过对数字图像相关（DIC）实验的分析，BaTiO3/IPMC内部应变场基本呈线性分布规律，而失水对于其应变的影响较为复杂。.综合考虑材料梯度、电场梯度和大变形等因素，提出了“多孔金属材料外电极-金属颗粒与聚合物复合层内电极-基膜”功能梯度和“分布式RC等效电路”力-电耦合模型，较为准确地预测了BaTiO3/IPMC力-电耦合特性。针对IPMC弹性模量和表面电极电阻，功能梯度模型预测值与实验值之间的误差分别为 6.8%和-5.49%；针对非线性大变形，IPMC非线性弯曲大变形力-电耦合模型的理论计算值与实验值之间的误差在10%以内。.本项目研究的主要科学意义在于：从细观结构到宏观变形，完善IPMC力-电耦合模型，为IPMC制备、器件制作、性能提升提供理论依据和实验基础。