《IPMC智慧型材料電致動機理研究與變形控制》是依託華中科技大學，由樊建平擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：IPMC智慧型材料電致動機理研究與變形控制
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：樊建平
- 依託單位：華中科技大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
本項目以一種新型人工智慧材料－IPMC為研究對象，採用細觀試驗觀察與探測方法，通過膜內電滲和電極化學反應關聯分析，描述電荷密度不平衡狀態，確定離子間的相互作用力，並進行巨觀表征。測量電極層均勻性分布特徵，構造等效電路並確定元件參數，在3V以下電壓作用下，確定驅動電流時變規律。考慮力電耦合，建立水合陽離子運動規律、水分子擴散規律和描述IPMC變形的力學控制方程。引入水份非均勻分布的壓力差、離子間的相互作用力，建立IPMC材料粘彈性和幾何大變形數值分析模型。選擇預測與搜尋算法，求解IPMC動力回響，揭示電致動巨觀變形的細觀機理。在此基礎上，藉助可靠的商用軟體平台，開發IPMC電致動分析模組，對典型結構進行數值模計算。實現IPMC材料和結構變形控制分析，進而為產品最佳化設計提供技術支撐和便捷工具。本項目的研究成果，豐富和拓展了固體力學的研究內容和套用範圍，為材料科學工作者提供最佳化設計的理論基礎。
結題摘要
作為一種典型活性軟物質，離子聚合物金屬複合材料(簡稱IPMC)在弱電場作用下表現出超大變形，探索其細觀組織結構特徵，揭示其變形機理，設計其分析流程，實現其理想變形控制，能夠為IPMC致動器設計提供理論基礎和控制方法，使其在眾多的工程領域得到套用。 本項目的研究工作涉及到力學、物理學、化學、電學、材料學和生命學科，屬於多學科交叉融合。主要研究內容有：採用實驗方法，對Nafion膜進行表面金屬層塗鍍，形成IPMC電極。用顯微測量儀器，確定金屬層厚度、均勻性和緻密性，分析IPMC組織結構特徵並測試不同水分含量下的機械性能，獲取用於理論分析模型和數值計算中的相關參數。建立了關於水合陽離子的控制方程和水分子擴散控制方程，確定方程中各作用力的影響係數，在力場和電場聯合作用下，考慮變數關聯，進行遷移和擴散耦合分析，實現電場-力場分析無縫連線。在大型商用數值分析軟體平台上，通過用戶接口設計高級應用程式，開發IPMC電致動分析子模組。對典型的IPMC結構進行動力學和大變形數值模擬，為產品設計提供科學依據和量化分析手段。 研究工作的主要成果包括： 1、採用模擬電路實現外循環電流和電荷遷移電流，成功表述了IPMC片狀材料在電場作用下電荷、電流、電壓的分布規律。藉助於用於描述靜電相互作用的庫倫作用力，並考慮水份非均勻分布的影響，得到IPMC超大變形，其轉角變形達到3600。到目前為止，沒有見到其它文獻能夠通過理論或數值分析得到如此超大變形。 2、考慮沿長度方向電場強度產生衰減的實驗結果，將前人建立了關於IPMC一維變形分析模型推廣到二維平面內，建立了關於IPMC電荷遷移的控制方程，配合水分擴散方程，對IPMC變形進行二維數值模擬，得到了理想結果。 3、在現有大型商用軟體基礎上，編寫用戶子模組，實現了電場電荷運動分析、擴散回複分析、機械變形分析和動力學分析一體化，整個分析過程無縫連線。 4、首次採用IPMC製作柔性致動器，包括人工括約肌、微夾鉗、機器爬蟲，進行了數值研究，完成了運動分析和變形控制，為IPMC相關產品最佳化設計提供了理論基礎。本項目的研究工作解決了原計畫中的關鍵科學問題，實現了多項創新，完成了全部研究內容，撰寫了18篇相關研究論文，其中13篇已經在不同等級學術刊物上發表，同時也陳述了項目中存在的問題。
