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1、南京航空航天大学 硕士学位论文 IPMC柔性仿生驱动器的制备及性能测试 姓名：金宁 申请学位级别：硕士 专业：仪器科学与技术（智能监测与控制） 指导教师：王帮峰 20081201 南京航空航天大学硕士学位论文 I 摘 要 对于近空间飞行器，仿生飞行是最有效的飞行方式之一。而仿生飞行器的关键问题是用于 机翼变形与运动的驱动器技术。对于仿生机翼驱动器，要求其驱动变形大、响应快速、控制简 单、能耗低且重量轻。IPMC 材料恰好具备上述特点，因而可能是仿生驱动器材料的较佳选择。 本文首先探索了如何制备性能优良的 IPMC 柔性仿生驱动器， 采用了基于 Nafion 膜的二维 化学镀铂和基于浇铸溶液基膜
2、的三维再镀两种方法。 二维化学镀采用在 Nafion 基膜上镀铂电极 的方法，且对制备过程中的各个影响因素如表面粗化，超声波振荡，退火，时间和温度等进行 分析。由于二维 IPMC 厚度薄，输出力小，限制了仿生驱动器的应用，因此自制了大输出力的 三维 IPMC 驱动器，用溶液浇铸成所需厚度的基膜，再化学镀电极，同时对制备过程中的影响 因素如时间和温度进行分析。 其次，重点对制备的 IPMC 材料进行各项性能测试，并将二维和三维 IPMC 进行了对比。 通过微观电镜分析了其表面电极分布情况和所镀电极厚度，结果表明由于自铸的三维离子交换 膜其离子交换能力与 Nafion(117)基膜不同，因而三维
3、IPMC 与二维 IPMC 微观电镜分析结果存 在显著差异；通过电性能测试分析了其表面电阻变化随时间变化趋势；红外热像仪的结果表明 在致动过程中热量分布主要从根部夹持端向变形端扩散；考虑到 IPMC 材料的应用，详细测试 了其输出的拉力，其输出拉力与厚度及驱动电压的增加均呈正相关的关系；最后对两种基膜及 其相应的 IPMC 进行了拉伸实验，对其弹性模量及抗拉强度等力学特性进行了对比分析。 关键词：关键词：IPMC，离子聚合物金属复合材料，人工肌肉，化学镀铂，柔性驱动器 IPMC 柔性仿生驱动器的制备及性能测试 II Abstract For the near-space aircraft, b
4、ionic flying is one of the most effective flight methods。 And the key problem for the aircraft is the actuator technique for the deformation and motion of the wing. The bionic actuator requires large deformation, fast response, simple control, low energy consumption and light weight，which are the ve
5、ry characteristics that IPMC has. So IPMC may become the optimum choice for the flexible and bionic actuators. This paper focused on the manufacturing of the flexible and bionic actuator IPMC. Two methods were used in this paper. The first one was electroless plating on Nafion-117, but the applicati
6、ons of the IPMC actuator based on this manufacturing method were restricted because of the thin membrane and small output force. Therefore, the second method was developed, which was electroless plating on the thick basal membrane prepared by us through solution casting. Furthermore, during the manu
7、facturing of IPMC, analyses were carried out on the factors such as surface roughening methods, ultrasonic oscillation, annealing process, reduction time and temperature. Then the research emphasized on the performance testing of the IPMCs manufactured with the two methods mentioned above, and on th
8、e comparisons between two-dimensional IPMC and three-dimensional IPMC. The distributions of surface electrodes and electrodes thickness were clear and distinct for two IPMCs on SEM photos, due to the different ion-exchange capability of different basal membranes. The electricity performance was test
9、ed to reveal the relation between surface resistance and time. The thermal imaging showed that the thermal diffused from the fixed tip to the deformation tip during the process of actuation. The output force of the two types of IPMCs were also tested in detail, and the experiment results showed that
10、 the output force increased as the augment of the thickness and driving voltage of the IPMC. Finally, tensile test was implemented for two basal membranes and two corresponding IPMCs, and comparison was studied on their Elastic Modulus and tensile strength respectively. Keywords: IPMC, Ionic polymer
11、 metal composites, artificial muscle, electroless plating, flexible actuator 南京航空航天大学硕士学位论文 V 图表清单 图1.1应用IPMC材料的末端夹持器.5 图 1.2 应用 IPMC 材料的刮尘器.6 图1.3 应用IPMC材料的机器人手臂.6 图1.4 应用IPMC材料的机器鱼.7 图1.5 应用IPMC材料的微型蠕动泵.7 图2.1 IPMC材料的结构.9 图 2.2 离子交换膜组成图示.9 图 2.3 Nafion 化学结构.11 图 2.4 Flemion 化学结构.11 图 2.5 Aciplex 化
12、学结构.12 图2.6 Nafion三相区模型结构示意图.13 图2.7 Nafion膜中离子团簇结构和离子传导通路示意图.13 图2.8 IPMC材料的微观组成示意图.14 图2.9 IPMC致动原理示意图.15 图2.10驱动机理示意图.15 图 3.1 化学镀铂制备工艺流程图.20 图 3.2 Pt 基 IPMC 材料外观图.22 图3.3 IPMC样件电致动效果.23 图3.4三种粗化方法制得的样件外观.24 图 3.5 不同粗化条件下的致动效果图.25 图3.6三种打磨方法尖端位移与电压关系.25 图 3.7 再次等离子处理的驱动效果.26 图 3.8 CTD-1000Z 一次镀完外
13、观.27 图3.9 RFD-200二次镀完外观.27 图 3.10 超声波中制备样件效果.28 图 3.11 退火前后效果.28 图 3.12 浇铸基膜工艺.31 图 3.13 自铸基膜.32 图 3.14 掺加其他物质铸成的基膜.32 图3.15 三维IPMC电致动效果图.33 图 3.16 含水率变化图.35 IPMC 柔性仿生驱动器的制备及性能测试 VI 图4.1三种表面粗化条件下获得的IPMC样件的断面及表面形貌.38 图4.2 三维IPMC表面及断面形貌图.39 图 4.3 二维断面全貌.39 图 4.4 三维断面全貌.39 图 4.5 二维 IPMC 表面电阻随时间变化关系图.40 图4.6 二维IPMC在不同驱动电压下的热像分布
