離子聚合物-金屬復(fù)合材料

離子聚合物-金屬復(fù)合材料學(xué)生：肖通虎導(dǎo)師：鄧麥村研究員曹義鳴研究員SeminarI環(huán)境工程研究室新型膜分離技術(shù)組2005/11（Ionicpolymer-metalcomposites）1主要內(nèi)容一、IPMC的簡介：二、IPMC的制備：三、IPMC的特性：四、IPMC的應(yīng)用前景實例：五、IPMC研究中的幾個問題：離子聚合物-金屬復(fù)合材料（IPMC）2一、離子聚合物-金屬復(fù)合材料（IPMC）簡介是一種電致動的智能高分子材料，離子聚合物金屬復(fù)合材料(ionicpolymermetalcomposite,IPMC)：一般由陽離子交換膜(如Nafion膜)和貴金屬如Pt等通過化學(xué)鍍的方法復(fù)合而成，在外加較低的電壓能夠產(chǎn)生較大的形變和張力。1939年IPMC作為電極材料就開始被研究1960年代，DowChemical1992年發(fā)現(xiàn)IPMC具有電致動的特殊性質(zhì)：IPMC最早發(fā)展的應(yīng)用是燃料電池的電極日本的Oguro美國的SadeghipourMohsenShahinpoor廣東工業(yè)大學(xué)自動化研究所中科院合肥智能機械研究所武漢理工大學(xué)光纖傳感技術(shù)研究中心3世界主要的商業(yè)離子交換材料的制造商：AqualiticsAsahiChemicalsAsahiGlassDuPontWLGoreIonicsSolvaySybronTokuyama用于IPMC制備的典型商業(yè)材料：NafionTMfromDuPontNeoseptaTMfromTokuyamaAciplexTM

fromAsahiChemicalFlemionTMorSelemionTMfromAsahiGlass二、IPMC的制備：1.離子聚合物材料的選擇:成膜性、膜強度、抗化學(xué)處理等含氟碳官能團的陽離子交換膜452.IPMC的制備工藝：粗化、酸洗

離子交換還原1、初始復(fù)合過程（Initialcompositingprocess）2、表面電極化過程（Surfaceelectrodingprocess）

LiBH4+4[Pt(NH3)4]2++8OH-→4Pt0+16NH3+LiBO2+6H2O金屬鹽類的溶液（如Pt(NH3)4Cl2）（如LiBH4、NaBH4）二、IPMC的制備：6IPMC復(fù)合膜的制備實例：5cm×5cmofNafionTM-1171)用砂紙輕輕打磨膜的表面,用超純水沖洗多次;2)在HCl(2mol/L)中煮沸30min,取出用超純水沖洗;

3)在超純水中煮沸30min。將處理后的Nafion膜浸入鉑鹽[Pt(NH3)6]Cl4(0.01mol/L)的水溶液中,陳化12h,使[Pt(NH3)6]4+

滲入到Nafion膜內(nèi)部,5)取出放入40℃水浴的反應(yīng)器中,加入5%LiBH4水溶液還原出Pt,在此過程中,逐漸升高水浴溫度至60℃,并攪拌1.5h;準備240ml([Pt(NH3)4]Cl2or[Pt(NH3)6]Cl4)含120mgPt的水溶液加入

5ml5%氨水（質(zhì)量百分數(shù))調(diào)節(jié)PH值(ii)

準備5%NH2OH-HCl水溶液和20%NH2NH2

溶液.(iii)膜浸入40℃恒溫含Pt溶液中，攪拌.每隔30min往溶液中加入6mlNH2OH-HCl和3mlNH2NH2

溶液(2∶1),并逐步升高溫度到60℃,反應(yīng)4h.至溶液中無[Pt(NH3)6]4+

離子存在;1、初始復(fù)合過程（Initialcompositingprocess）2、表面電極化過程（Surfaceelectrodingprocess）

73.IPMC的典型結(jié)構(gòu)：A表面結(jié)構(gòu)：二、IPMC的制備：8B截面結(jié)構(gòu)：9三、IPMC的特性：1.直流電壓下的響應(yīng)特性：1.向陽極彎曲2.彎曲程度（位移）隨電壓增大而增大，直至飽和狀態(tài)。(一)電致動特性102.交流電壓下的響應(yīng)特性：1.薄膜產(chǎn)生擺動彎曲(位移)2.位移取決于電壓幅值和頻率a.通常在低頻時產(chǎn)生較大的位移,如果頻率上升到幾十

HZ時,將不產(chǎn)生位移。b.不同頻率下,彎曲位移達到飽和時的驅(qū)動電壓值不同,在頻率較高時,電壓值較小。三、IPMC的特性：113.電致動機理：三、IPMC的特性：可以從膜內(nèi)部平衡離子的遷移來考慮a.水合離子c.外加電場強弱變化頻率b.膜的厚度膜內(nèi)電阻、微觀電荷密度變化、聚集層內(nèi)部電荷的平衡、離子遷移速率124.與形狀記憶金屬、電陶瓷特性比較：三、IPMC的特性：13(二)

應(yīng)力傳感特性1.準靜態(tài)傳感：三、IPMC的特性：142.動態(tài)傳感：三、IPMC的特性：151.末端夾持器:四、IPMC的應(yīng)用前景實例：可制作微型低質(zhì)量機器人手臂末端夾持器。該夾持器安裝在直徑為5mm的石墨/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料棒上面,利用頻率為0.1Hz的5伏方波信號驅(qū)動,可以實現(xiàn)打開夾持器手指、將夾持器放置于待收集物體的附近、閉合夾持器、隨手臂舉起物體等一系列動作。夾持器能舉起巖石,意味著在未來的行星探索中可利用夾持器靈活多樣的功能,來完成行星采樣收集任務(wù)。NASA/JPL（美國宇航局噴氣推進實驗室）reportedthattheactuationpropertiesofIPMCmusclesinaharshspaceenvironmentsuchas1Torrofpressureand?140?Ctemperaturearenoticeableforspaceapplications.（一）軟性機械致動及傳感應(yīng)用162.刮塵器：四、IPMC的應(yīng)用前景實例：通過從海盜宇宙探測器和火星探險器任務(wù)中所獲取的教訓(xùn),研究人員了解到在火星上執(zhí)行任務(wù)的硬件裝置表面很容易積上灰塵。積累的灰塵是妨礙光學(xué)裝置長期工作的關(guān)鍵性問題,并且降低了太陽能電池產(chǎn)生功率的效率。使用了類似于汽車擋風(fēng)玻璃刮雨器的刮塵器。與常規(guī)的致動器相比,IPMC具有能制成簡單、輕質(zhì)、低功率刮擦機構(gòu)的理想特性。尤其是當(dāng)給定大約0.3Hz的激勵信號時,IPMC能產(chǎn)生大于90度的彎曲,其彎曲方向取決于所施加信號的極性。173.泳動微機器人推進器：四、IPMC的應(yīng)用前景實例：無噪聲推動，可以躲避聲納的探測184.微型蠕動泵：四、IPMC的應(yīng)用前景實例：5.其它執(zhí)行器及傳感器：

如計量閥、滑行結(jié)構(gòu)、微飛行器件、隔膜泵、微電機傳感器等。191、人造心臟輔助肌肉：四、IPMC的應(yīng)用前景實例：柔軟的IPMC，可以縫合在心臟表面，不接觸血管血液，可避免血栓及并發(fā)癥。對于心律不齊等心臟疾病，要求植入微器件柔軟、電力充足，不引起不良反應(yīng)（二）醫(yī)學(xué)應(yīng)用：人體內(nèi)輔助驅(qū)動材料20老鼠21四、IPMC的應(yīng)用前景實例：2、人造手指、關(guān)節(jié)：22四、IPMC的應(yīng)用前景實例：3.仿生眼及視力矯正23圖五使用IPMC作為可操控的內(nèi)視鏡導(dǎo)管頭GousseAE,MadjarS,LambertMMandFishmanIJ,J.Urol.166,1755(2001).四、IPMC的應(yīng)用前景實例：4.內(nèi)視鏡導(dǎo)管頭：24（1）工藝參數(shù)的優(yōu)化：五、IPMC研究中的幾個問題：1.IPMC的制備工藝問題：復(fù)雜對策：2526（2）結(jié)構(gòu)的優(yōu)化：憎水性的碳氟高分子主鏈和親水性的烷基磺酸根側(cè)鏈組成1.IPMC的制備工藝問題：2728（3）制備方法的創(chuàng)新：1.IPMC的制備工藝問題：2930在低電壓的刺激下,IPMC能產(chǎn)生明顯的彎曲位移,但所產(chǎn)生的驅(qū)動力卻偏低。2.IPMC的驅(qū)動力問題：提供的驅(qū)動力偏低:對策：（1）改變平衡離子31（2）再鑄IPMC32333.IPMC的功耗問題：正弦波驅(qū)動技術(shù)方波驅(qū)動形變大但功耗較高。對策：34方波正弦波方波正弦波方波正弦波354.IPMC的濕度敏感問題：(1)采用硅涂層技術(shù)干燥的條件下,IPMC只能響應(yīng)幾分鐘。可連續(xù)工作4個月工作溫度范圍較大具有良好的彈性耐紫外線輻射對策：(2)提高金屬致密層的均勻性(3)采用高沸點極性溶劑36J.W.Paquetteetal./SensorsandActuatorsA118(2005)135–1435.IPMC的超低溫問題：機理尚不清楚。376.IPMC的電解問題：對策：驅(qū)動電壓超過1.03V,將產(chǎn)生電解,相應(yīng)產(chǎn)生退化、熱量、釋放氣體等激活反應(yīng)。（1）降低電壓（2）采用金電極38K.Jungetal./SensorsandActuatorsA107(2003)183–1927.IPMC的持續(xù)時間問題：直流電壓下,IPMC在最大位移處保持時間短。對策：而且一旦撤消電場,IPMC向相反的方向產(chǎn)生過位移,出現(xiàn)永久形變。這個問題還沒有解決,并且阻礙了IPMC的某些應(yīng)用。39總結(jié)：是一種電致動的柔性智能高分子材料，在軟性機械致動器、應(yīng)力傳感器、人工肌肉、人體內(nèi)的驅(qū)動材料等方面有著廣闊的應(yīng)用前景,也面臨著不斷的挑戰(zhàn)。離子聚合物金屬復(fù)合材料(ionicpolymermetalcomposite,IPMC):40[1]M.Shahinpooretal./ElectrochimicaActa48(2003)2343/2353[2]K.Jungetal./SensorsandActuatorsA107(2003)183–192[3]K.J.Kim

etal./Polymer43(2002)797-802[4]M.Shahinpooretal./SensorsandactuatorsA96(2002)125-132[5]JasonW.Paquetteetal./SensorsandActuators118(2005)135–143

[6]E.T.Enikov,G.S.Seo/SensorsandActuatorsA122(2005)264–272[7]Y.Toi,S.-S.Kang/ComputersandStructuresARTICLEINPRESS[8]M.Shahinpooretal./SmartMater.Struct.10(2001)819–833[9]M.Shahinpooretal./

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TadokoroS,etal./2001ElectroactivePolymer(EAP)ActuatorsasArtificial[13]

Muscles,Reality,Potential,andChalle