納米鈦酸鋇改性IPMC的電流變機理及力學行為研究

《納米鈦酸鋇改性IPMC的電流變機理及力學行為研究》是依託南京航空航天大學，由卞侃擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：納米鈦酸鋇改性IPMC的電流變機理及力學行為研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：卞侃
• 依託單位：南京航空航天大學

項目摘要

離子聚合物金屬複合材料（IPMC）是一種基於水合陽離子遷移效應的電致動活性聚合物材料，是智慧型材料與結構領域中的研究熱點之一，在航空航天、仿生驅動、醫學等領域具有廣泛的套用前景。IPMC聚合物吸水後形成的是類懸浮液體系，本項目提出在IPMC聚合物基體中添加納米BaTiO3粒子，藉助納米BaTiO3粒子在類懸浮液體系中的電流變效應，複合成為具有雙致動效應的BaTiO3增強型IPMC（BT/IPMC）。研究納米BaTiO3粒子在類懸浮液體系中的電流變機理，以及BaTiO3摻雜量對BT/IPMC基本力學性能和電致動性能的影響，包括對BT/IPMC強度、回響速度、變形量以及驅動力等的定量描述；探討電場作用下，水合陽離子遷移和納米BaTiO3粒子成纖化有序排列之間的耦合作用機理，進而建立BT/IPMC在雙致動效應下的力－電耦合模型，為高性能BT/IPMC新型電致動材料的套用奠定理論和實驗基礎。

結題摘要

離子聚合物金屬複合材料（IPMC）被稱為“人工肌肉”，其具有操作安全、耐腐蝕、變形量大等特點，是智慧型材料與結構領域的研究重點和熱點之一。IPMC驅動力小，致動機理複雜，且非線性大變形的特點，限制了其在工程中的套用與發展。針對這些問題，本研究項目通過添加改性材料期望克服IPMC致動能力弱，強度和剛度小等缺點，並進一步提升材料的回響和致動速度，從而實現力學角度的材料可設計。本項目開展了以下幾個方面的重要研究內容：（1）納米級高介電添加材料的製備與改性；（2）填料增強型IPMC的製備工藝最佳化；（3）BaTiO3/IPMC的力學、電學及致動性能的測試與表征；（4）建立具有一定準確度的力電耦合模型。重要結果如下：（1）採用水熱法並添加銻等改性元素，成功製備適於IPMC添加的BaTiO3納米顆粒；（2）最佳化納米級BaTiO3顆粒的分散工藝，改進溶液-澆築製備流程，獲得了多種組分的具有良好一致性的BaTiO3/Nafion基膜，並通過溫控和濃度控制採用化學沉積方法製備了相應的IPMC試樣；（3）對材料進行靜載抗拉、彈性模量、基本電學參數以及電致動回響等測試。結果顯示：BaTiO3/Nafion膜的彈性模量、抗拉強度等力學性能較傳統IPMC顯著提高，搭建IPMC彎曲形變撓曲線測試平台，對IPMC試樣進行激勵電壓下的直流、交流驅動形變測試。結果顯示：BaTiO3摻雜量為3%的IPMC驅動性能最好，其驅動彎曲角度最大，且回響速度最快；通過IPMC端部輸出力測試平台，IPMC在直流激勵下的力輸出情況表明，Pt-IPMC力輸出因摻雜量的不同而存在差異，摻雜了BaTiO3的IPMC的輸出力明顯大於未摻雜BaTiO3的IPMC，摻雜質量分數為3wt%的BaTiO3/IPMC輸出力最大；（4）根據IPMC結構特點和納米級高介電BaTiO3顆粒對IPMC力學和電學性能的影響，建立了IPMC力電耦合模型，驗證結果顯示:預測值與實驗值對比誤差均在10%以內。 項目進行過程中，所獲得的部分關鍵數據整理後，總計發表SCI學術論文6篇，申請專利3項。另有部分數據仍在驗證整理中。培養博士研究生1名，碩士研究生4名。本項目組提出的方法有望為IPMC的改性研究和力電耦合轉換行為預測提供實驗和理論支持。