離子聚合物-金屬?gòu)?fù)合物發(fā)展綜述
彭瀚曼，楊淋，李華峰，趙淳生
(南京航空航天大學(xué)，江蘇南京210016)
摘要：介紹了一種新型智能材料——離子聚合物金屬?gòu)?fù)合物，概述了其特性和致動(dòng)機(jī)理，引述了離子聚合物-金屬?gòu)?fù)合物在微特作動(dòng)器中一些應(yīng)用實(shí)例，最后展望了離子聚合物一金屬?gòu)?fù)合物在未來(lái)的發(fā)展前景。
0 引 言
離子聚合物一金屬?gòu)?fù)合物(10nic Polymer-MetaI composite，簡(jiǎn)稱(chēng)IPMc)是人工肌肉的一種，屬于離子型EAP(electroactive polymer)范疇，也稱(chēng)為離子型人工肌肉。它在仿生機(jī)械中是一類(lèi)最基本的驅(qū)動(dòng)器與傳感器，是一種柔順裝置。IPMc的形態(tài)類(lèi)似于一塊薄金屬片，原料可以是DuPont公司的NafionTM膜，也可以是日本的Flemion膜和selemion膜，然后在膜的兩側(cè)面鍍上電極(如鉑Pt、金Au等貴金屬)可得IPMc膜。在電極上加上低電壓(1～7v)可以使它產(chǎn)生一定的彎曲變形，從而構(gòu)成作動(dòng)器；而如果不加電壓，只加純機(jī)械載荷(彎矩)可以使膜上下表面產(chǎn)生電位差，則構(gòu)成柔性傳感器。IPMc為人們制造具有肌肉性能的作動(dòng)器和傳感器提供了可能，其驅(qū)動(dòng)電壓低、柔度高、響應(yīng)迅速、位移大、產(chǎn)生的力是自身重力的好幾倍，所以運(yùn)用IPMc制作的作動(dòng)器非常容易微型化，有利于仿生學(xué)的發(fā)展，目前適用于醫(yī)療器械(如人造心臟、人造眼球、人造皮膚)、太空探索、微型機(jī)器人、MEMs和娛樂(lè)等諸多領(lǐng)域。
IPMc的發(fā)展可以追溯到1939年，人們發(fā)明了在膜的表面快速沉淀一層膠態(tài)化銀的方法。不過(guò)，這種方法形成的IPMc的雛形由于金屬層和聚合物之間容易脫離，所以金屬層不能實(shí)現(xiàn)作為電極的功能。隨著技術(shù)發(fā)展，20世紀(jì)70年代初，Levine和Prevost等人運(yùn)用氧化還原反應(yīng)進(jìn)行電鍍，解決了這個(gè)難題。1992年Oguro、shahinpoor、sadeghipour同時(shí)發(fā)現(xiàn)了IPMc的電驅(qū)動(dòng)特性。1999年召開(kāi)第一屆關(guān)于EAP的國(guó)際會(huì)議以及開(kāi)展用EAP驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手與人手進(jìn)行力量比賽后，包括美國(guó)、日本、韓國(guó)在內(nèi)的多個(gè)國(guó)家研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)都對(duì)IPMc進(jìn)行了全面研究，2000年以后這項(xiàng)技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，有了許多各種各樣的新型作動(dòng)器，比如蝠鲼型作動(dòng)器、8腳作動(dòng)器和蛇形作動(dòng)器等。
1 IPMc的致動(dòng)機(jī)理和特性
l 1 IPMC的致動(dòng)機(jī)理
IPMc的致動(dòng)機(jī)理如圖l所示。在兩電極上施加電壓后，材料中本來(lái)平均分布的陽(yáng)離子在外加電場(chǎng)的作用下向陰極聚集。同時(shí)膜內(nèi)陽(yáng)離子(Na、Li)等親水性很強(qiáng)，它們移動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)水分子一起移動(dòng)到了陰極附近，從而在膜的一側(cè)形成一個(gè)很薄(小于10μm)的邊界層，IPMc膜負(fù)極側(cè)溶脹，產(chǎn)生壓力差，密度大的地方向密度小的地方彎曲，即膜向陽(yáng)極彎曲，從而導(dǎo)致形變。
如果通直流電，彎曲后，薄膜會(huì)逐漸恢復(fù)原狀(不同離子的恢復(fù)方向和程度都有不同。)；如果通一定頻率的交流電，薄膜會(huì)產(chǎn)生擺動(dòng)。
反之，膜受外力而變形，將在電極間產(chǎn)生電勢(shì)差。這是因?yàn)槟さ淖冃问鼓?nèi)外部的纖維膨脹，內(nèi)部的壓縮(如圖2所示)，這就導(dǎo)致膜的纖維內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力梯度。又因?yàn)槟?nèi)的陰離子固定在聚合物內(nèi)的纖維中不能自由移動(dòng)，而陽(yáng)離子是可以移動(dòng)的，所以膜內(nèi)的陽(yáng)離子朝密度小的區(qū)域運(yùn)動(dòng)，使電極間產(chǎn)生電勢(shì)差。IPMc的這種傳感性能最早是由sadeghipour等人提出的，后來(lái)shahinp00r進(jìn)行了深入的研究，并取得了一定的成果。這種特性使得IPMc在MEMs中有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/DIV>
電壓的大小直接影晌膜的形變量和驅(qū)動(dòng)力的大小。當(dāng)電壓較低時(shí)，由于膜內(nèi)部電阻和表面阻抗的存在，TPMc的運(yùn)動(dòng)幅度很�。寒�(dāng)電壓升高時(shí)，膜內(nèi)離子遷移的速度和遷移量增加，薄膜的形變量和力同時(shí)增大；當(dāng)膜內(nèi)離子分布形成的電場(chǎng)與外加電壓形成的電場(chǎng)達(dá)到平衡時(shí)，薄膜的形變****。此外，IPMc膜的形變量還與外加電壓的頻率有關(guān)。由于IPMc膜內(nèi)水合陽(yáng)離子遷移速度的限制，遷移需要一定的時(shí)間，因此IPMc膜在低頻電場(chǎng)作用下才能產(chǎn)生較大的位移。
膜內(nèi)陽(yáng)離子種類(lèi)對(duì)膜的位移量影響也很大，因?yàn)殡x子不同，膜的內(nèi)阻和膜的硬度也不同，這些因素都會(huì)導(dǎo)致膜的致動(dòng)性不同。例如Masaki Yamakita的蛇形作動(dòng)器用不同的離子(Na、cs、TEA)進(jìn)行位移和速度的對(duì)比，如圖3、圖4所示。
除上述影響因素外，還有一個(gè)重要因素就是膜的厚度。如圖5所示，設(shè)一塊IPMc膜長(zhǎng)為L(zhǎng)1、自 |
