IPMC人工肌肉界面與材料設(shè)計(jì)、力電建模及仿生應(yīng)用研究.pdf

1、動(dòng)物的分布式（肌肉）驅(qū)動(dòng)是它們具高靈活性、高冗余度和高負(fù)載/質(zhì)量比的主要原因，研究具有類肌肉性能的驅(qū)動(dòng)器件對高性能機(jī)器人和MEMS系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。壁虎腳趾外翻內(nèi)收的精巧運(yùn)動(dòng)控制與壁虎腳底微納米剛毛所產(chǎn)生的尺寸效應(yīng)的結(jié)合最終成就了壁虎飛檐走壁的絕活，因此，模仿壁虎腳趾的運(yùn)動(dòng)，獲得一種具有良好適應(yīng)性的可控黏附機(jī)構(gòu)十分必要。離子聚合物金屬復(fù)合物IPMC（Ionic Polymer Metal Composite）是一種離子型的電致動(dòng)材

2、料（EAP，Electro-active Polymer），它是在離子交換聚合物薄膜的基材表面沉積鉑（Pt）、金（Au）等導(dǎo)電貴金屬而獲得的復(fù)合材料，和壓電陶瓷、形狀記憶合金等驅(qū)動(dòng)材料相比，IPMC具有質(zhì)輕、驅(qū)動(dòng)電壓低、位移大、響應(yīng)快、無噪音、柔性、驅(qū)動(dòng)能量密度較高等優(yōu)點(diǎn)，又被稱為“人工肌肉”。IPMC人工肌肉在幾伏電壓驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生可控往復(fù)擺動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)類似壁虎腳趾運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)仿生腳趾外翻和內(nèi)收，進(jìn)行簡單、有效和精巧的運(yùn)動(dòng)控制。
　　本

3、論文主要工作包括：IPMC人工肌肉的界面與材料設(shè)計(jì)、力電模型建立、仿壁虎腳趾應(yīng)用研究、黏附材料研制。論文的主要工作和創(chuàng)新如下：
　?。?）研究了聚合物膜與電極界面微納米織構(gòu)對IPMC性能的影響，發(fā)現(xiàn)大的交界表面積有利于提升IPMC驅(qū)動(dòng)性能，這是由于大的交界面積產(chǎn)生大的電雙層電容。采用電火花技術(shù)加工了不銹鋼模具，使用研磨和熱壓綜合表面處理的方式在Nafion膜表面形成微納米溝槽形狀的表面織構(gòu)。較噴砂處理IPMC，綜合表面處理IPMC

4、的輸出力、位移和電流分別增加4.39，2.35和1.87倍，有效空氣作動(dòng)時(shí)間延長5倍。
　?。?）采用表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）將多壁碳納米管（MWCNT）分散于Nafion中，形成了均勻的、穩(wěn)定的碳管懸浮液，該分散方法未采用強(qiáng)酸處理，保護(hù)了碳管固有的特性，提高了IPMC的力電性能。在此基礎(chǔ)上采用連續(xù)澆鑄法成功制備了三層Nafion結(jié)構(gòu)，包括TEOS/Nafion中間層，外側(cè)分別為MWCNT/Nafion層。在正弦

5、電壓輸入信號（3V，0.1Hz）下多層IPMC（20mm×5mm×0.3mm）的輸出力達(dá)到6.5gf，有效空氣作動(dòng)時(shí)間達(dá)到300s。
　?。?）成功制備了一種新型的離子聚合物金屬-碳納米管復(fù)合物（IPMCC）驅(qū)動(dòng)器，將MWCNT，Pd，Pt沉積至Nafion薄膜作為復(fù)合電極。MWCNT層與Pd-Pt復(fù)合金屬鍍層結(jié)合牢固，填充金屬鍍層表面的裂縫，阻止納米鉑顆粒的氧化，保證了電極的穩(wěn)定性。建立了考慮泄漏電流的電學(xué)模型，可以預(yù)測出電壓激

6、勵(lì)下通過IPMCC的非線性電流特征。
　?。?）通過聚合物溶液澆鑄法制備了不同厚度的Nafion膜，化學(xué)鍍制備了不同厚度的IPMC，建立致動(dòng)模型，分析了厚度對IPMC驅(qū)動(dòng)性能的影響。結(jié)果表明隨著厚度增加，IPMC輸出力增加，但位移和電流降低。
　?。?）研制了一種新型的離子型電致動(dòng)聚合物，由離子型電解質(zhì)層夾層于兩側(cè)的石墨烯薄膜電極熱壓而成。掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射分析（XRD）、四探針測試儀觀測研究了石墨烯薄膜。