《定向碳納米管增強的IPMC人工肌肉材料的製備及套用研究》是依託南京航空航天大學，由於敏擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：定向碳納米管增強的IPMC人工肌肉材料的製備及套用研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：于敏
- 依託單位：南京航空航天大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
IPMC(Ionic polymer-metal composites，離子聚合物金屬複合材料)人工肌肉材料有望改變驅動技術的現狀，具有巨大的套用前景。本項目在前期研究的基礎上，以改善IPMC材料內部微觀孔道，提高IPMC力輸出性能為目標，將定向碳納米管技術與IPMC製備相結合，進行定向碳納米管增強的IPMC合成製備研究，同時結合材料表面織構、離子工作介質等方面的最佳化提高IPMC驅動的力輸出性能和離水工作時間，並通過理論建模分析定向碳納米管增強對IPMC驅動性能的影響。在性能提升的基礎上進行IPMC的仿生套用示範研究，將IPMC套用於仿生眼球的驅動以取代目前仿生眼球複雜的機械驅動系統，同時也進行人體主動式無導管檢查機器人的IPMC驅動的嘗試。該項目的研究對高性能機器人和MEMS系統的發展具有重要意義。
結題摘要
IPMC離子聚合物人工肌肉材料有望改變驅動技術現狀，具有巨大套用前景。本項目以提高IPMC驅動的力輸出性能和離水工作時間為目標，將碳納米材料技術與IPMC製備相結合，進行基體材料改性、表面電極織構最佳化、新型離子工作介質IPMC研製，並同時進行物理力學模型研究，探索IPMC驅動仿生套用。 從碳納米改善、基膜改性、表面處理、新型工作介質等幾個方面綜合最佳化了IPMC的驅動性能。採用表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨分散碳納米管於Nafion中，通過連續澆鑄法成功製備了三層Nafion結構，將MWCNT，Pd，Pt沉積至Nafion薄膜作為複合電極；MWCNT層填充金屬鍍層表面的裂縫，阻止納米鉑顆粒氧化，保證了電極的穩定性；澆鑄了氮摻雜碳納米籠的Nafion基底膜，NCNCs的摻雜使得基底膜的彈性模量及含水量增加；研究了聚合物膜與電極界面微納米織構對IPMC性能的影響，發現大的交界面積產生大的電雙層電容，從而提升IPMC驅動性能；製備了多孔基底膜IPMC，並將離子液體替代水作為IPMC的工作介質，多孔結構使得以離子液體為介質的IPMC回響速度及輸出性能得到明顯提高；研製了一種新型的離子型電致動聚合物，由離子型電解質層夾層於兩側的石墨烯薄膜電極熱壓而成。從初期Nafion商業膜製備IPMC試樣獲得的約1 mN的末端輸出力，到最新研製的碳納米管鉑複合電極強化的IPMC，輸出力達到了63.7 mN（216 mN/mm），離水驅動5 min依然保持最大位移量的80%，其驅動輸出性能已產生了質的飛躍。文獻檢索，較國際同行製備的IPMC材料（Palmre V，2014；Lee J W，2014；Park J，2014；Bhattacharya S，2015），已達到該領域先進水平（He Q S, 2013, 2014）。 建模方面採用了Nernst-Planck 方程和Navier-Stokes方程來描述水合陽離子的遷移，建立了考慮泄漏電流的電學模型，獲得IPMC智慧型材料輸入輸出變數關係，指導高性能IPMC研製。在性能提升的基礎上進行IPMC的仿生套用示範研究，將IPMC套用於仿生壁虎腳趾的驅動，同時也進行人體主動式無導管檢查膠囊機器人的IPMC驅動的套用研究，通過實驗研究驗證了其仿生套用的可行性。該項目的研究對高性能仿生機器人和MEMS系統的發展具有重要意義。
