《離子聚合物金屬複合材料的力學行為研究》是依託南京航空航天大學，由熊克擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：離子聚合物金屬複合材料的力學行為研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：熊克
- 依託單位：南京航空航天大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
離子聚合物金屬複合材料（Ionic Polymer Metal Composite，IPMC）是一種新型柔性功能材料，在仿生驅動、生物醫療和航空航天等領域具有廣闊前景。本研究以常規化學沉積法製備的IPMC為研究對象，構建集力學與功能特性為一體的測試系統，對IPMC力學與電學參數進行準確測量；運用細觀力學、複合材料力學，以及不可逆熱力學等理論，以活性極性因子的遷移為主要關聯因素，考慮IPMC不同組分材料的梯度變化，以及受激勵狀態下其內部電場的梯度變化，建立IPMC雙梯度（材料梯度－電場梯度）力－電耦合模型，為進一步探索IPMC的致動機理、定量描述其驅動能力打下重要基礎。
結題摘要
離子聚合物金屬複合材料（IPMC）是一種新型電致驅動功能材料，具有密度小、回響快、柔韌性好等優點，在仿生機構、生物醫學、航空航天等領域具有廣泛的套用前景。本項目的研究是為了應對IPMC所面臨的挑戰：如何改性IPMC，以增大驅動力；如何從基本性能中，進一步分析IPMC的驅動回響；如何針對非線性大變形的特點，完善IPMC的力-電耦合模型等。本項目取得的階段創新研究結果如下： 通過摻雜和最佳化製備工藝，獲得了性能穩定的BaTiO3/IPMC，為IPMC建模研究提供了較為準確的內外電極分布等重要參數。採用溶液-澆注法製備摻雜量為0-7wt%的BaTiO3改性Nafion基離子交換膜，採用溫控化學沉積法製備Pt型和Ag型IPMC；通過掃描電鏡結合電子能譜分析對試樣進行表征，獲得了IPMC的基膜、電極微觀形貌特徵以及電極結構特點。 採用實驗力學等手段，表征了IPMC的基本力學和電學性能參數，獲得了電致驅動下BaTiO3/IPMC真實應變回響特性，揭示了IPMC的形變回響和應變分布規律。研究表明：加入BaTiO3納米顆粒後，IPMC的含水率下降，彈性模量明顯提高；IPMC的表面電極電阻隨其彎曲曲率的變化而變化，試樣尺寸影響極間電容和電阻等參量；在直流和交流電壓激勵下，BaTiO3含量為3wt%時，BaTiO3/IPMC的變形能力和力輸出增強效果最好，相較無摻雜IPMC，測點位移增大101.4%，回響速度提高72.4%；通過對數字圖像相關（DIC）實驗的分析，BaTiO3/IPMC內部應變場基本呈線性分布規律，而失水對於其應變的影響較為複雜。 綜合考慮材料梯度、電場梯度和大變形等因素，提出了“多孔金屬材料外電極-金屬顆粒與聚合物複合層內電極-基膜”功能梯度和“分散式RC等效電路”力-電耦合模型，較為準確地預測了BaTiO3/IPMC力-電耦合特性。針對IPMC彈性模量和表面電極電阻，功能梯度模型預測值與實驗值之間的誤差分別為 6.8%和-5.49%；針對非線性大變形，IPMC非線性彎曲大變形力-電耦合模型的理論計算值與實驗值之間的誤差在10%以內。 本項目研究的主要科學意義在於：從細觀結構到巨觀變形，完善IPMC力-電耦合模型，為IPMC製備、器件製作、性能提升提供理論依據和實驗基礎。
