Ag-IPMC人工肌肉電致動(dòng)性能及失效機(jī)理研究.pdf

1、IPMC(Ion-exchange Polymer Metal Composite)是一種新型離子聚合物金屬?gòu)?fù)合電致動(dòng)智能材料，一般是通過(guò)化學(xué)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(yīng)速度快、質(zhì)量輕和柔韌性好等優(yōu)點(diǎn)。IPMC電極材料一般采用金和鉑，導(dǎo)致對(duì)于IPMC研究成本過(guò)高而限制了其推廣和應(yīng)用，因此，研究制備低成本電極材料成為IPMC研究領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，本文采用導(dǎo)電性良好的Ag作為IPMC人工肌肉兩側(cè)金屬

2、電極，利用還原法制備Ag-IPMC。通過(guò)對(duì)Ag-IPMC電致動(dòng)性能及力學(xué)性能研究，利用其性能參數(shù)獲得人工肌肉驅(qū)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比；對(duì)Ag-IPMC人工肌肉的失效現(xiàn)象進(jìn)行分析，研究其失效機(jī)理，并進(jìn)行了 Ag-IPMC制備工藝的優(yōu)化和研究，利用制備改進(jìn)后的Ag-IPMC及膠接的柔性連接方式制作了實(shí)體模型，延長(zhǎng)了Ag-IPMC使用壽命。
　　建立懸臂梁彎曲測(cè)試結(jié)構(gòu)，研究了傳統(tǒng)制備方法得到的Ag-IPMC電致動(dòng)性能，進(jìn)行彎曲擺

3、動(dòng)性能測(cè)試和分析。測(cè)試其尖端輸出力與驅(qū)動(dòng)電壓幅值、驅(qū)動(dòng)電壓頻率及驅(qū)動(dòng)電壓波形之間的關(guān)系，尖端輸出位移與電壓、頻率之間的關(guān)系；針對(duì) Ag-IPMC在不同情況下其含水率衰減進(jìn)行了測(cè)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(duì)Ag-IPMC電致動(dòng)性能的影響規(guī)律。
　　對(duì) Ag-IPMC人工肌肉的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，通過(guò)彈性模量及泊松比的測(cè)量，得到兩參數(shù)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(shù)，然后根據(jù)超彈性大變形方程對(duì) Ag-IPMC在非電致動(dòng)條件下建立數(shù)學(xué)模型，并對(duì)不同含水率的Ag-IPMC進(jìn)行了力學(xué)仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，并將計(jì)算結(jié)果與測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比得到誤差率，對(duì) Ag-IPMC應(yīng)變與失水關(guān)系進(jìn)行分析；利用壓電模型將壓電雙晶片中壓電系數(shù)d31類比等效到 IPMC模型中進(jìn)行計(jì)算，對(duì)其應(yīng)變進(jìn)行了分析，明確了含水率小是導(dǎo)致Ag-IPMC失水速度較慢的原因；最后，測(cè)得了不同含水率Ag

5、-IPMC的壓電系數(shù)，找出Ag-IPMC含水率隨壓電系數(shù)的變化規(guī)律。
　　進(jìn)行Ag-IPMC的失效現(xiàn)象分析，研究失效機(jī)理。將Ag-IPMC失效前、后樣件進(jìn)行對(duì)比，宏觀上認(rèn)識(shí)失效樣件的異樣，為了明確 Ag-IPMC的失效現(xiàn)象，通過(guò)掃描電子顯微鏡對(duì) Ag-IPMC樣件進(jìn)了表面微觀結(jié)構(gòu)觀察，對(duì)比分析電致動(dòng)實(shí)驗(yàn)前后樣件表面結(jié)構(gòu)形態(tài)，Ag-IPMC在電激勵(lì)下運(yùn)動(dòng)失效，其表面發(fā)生了多種明顯的變化，且運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)處出現(xiàn)應(yīng)力集中使得其出現(xiàn)硬化現(xiàn)象，按

6、失效現(xiàn)象特點(diǎn)總結(jié)并進(jìn)行分類；最后進(jìn)行失效機(jī)理研究，通過(guò)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(jìn)行能譜掃描，分析Ag-IPMC樣件失效前、后其表面物質(zhì)組分的變化規(guī)律，研究Ag-IPMC表面物質(zhì)組分變化對(duì)運(yùn)動(dòng)失效的影響，揭示Ag-IPMC人工肌肉失效原因。
　　為了改進(jìn)并提高Ag-IPMC的性能，避免其電致動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)失效，研究Ag-IPMC的制備方法及制備工藝，通過(guò)對(duì) Ag-IPMC失效現(xiàn)象和電激

7、勵(lì)效果進(jìn)行分析總結(jié)，全面進(jìn)行Ag-IPMC制備過(guò)程的改進(jìn)、完善及優(yōu)化。還研究了幾個(gè)影響Ag-IPMC制備樣件質(zhì)量的關(guān)鍵因素。
　　應(yīng)用制備改進(jìn)后的Ag-IPMC，對(duì)其采用膠接方法進(jìn)行雙片并聯(lián)組合，形成仿生肌腱結(jié)構(gòu)的柔性連接方式，并制作了仿生魚尾進(jìn)行研究，目的是解決力輸出大小和夾持段處的失效問(wèn)題，提高 Ag-IPMC在實(shí)際應(yīng)用中的性能。主要研究以下幾個(gè)方面：魚尾結(jié)構(gòu)模型制作、Ag-IPMC雙片并聯(lián)組合致動(dòng)器制作、仿生魚尾的制作和魚尾