Nafion薄膜/金属 复合材料的制备及其电致动性能研究

论文摘要

离子聚合物金属复合材料（Ionic Polymer-Metal Composites,IPMC）是一种新型的智能材料,在电场驱动下,能产生摆动、弯曲等类似肌肉的响应,在致动器、传感器和人工肌肉等方面有广阔的应用前景。传统IPMC材料由离子聚合物薄膜和金属铂（Pt）电极复合而成,生产成本高且致动性能较不稳定,导致材料很难投入实际应用。本文依据上述情况,探索低成本IPMC材料的制备工艺并对金属电极进行优化改性,提高材料的使用性能和寿命。采用金属银（Ag）作电极材料,并用银镜反应还原Ag离子,形成IPMC的表面电极,合成了Ag-IPMC;针对该方法制备的电极层缺陷,在还原反应中添加分散剂聚乙烯吡咯烷酮（PVP）;并利用磁控溅射技术在Ag-IPMC表面溅射纳米金（Au）颗粒,分别得到PVP-Ag-IPMC和新型的双金属电极Au-Ag-IPMC材料。利用扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射仪和原子力显微镜等仪器分析以上不同制备工艺下IPMC材料的表面电极结构;采用四探针法和拉伸实验等手段表征IPMC的物理性能;并研究IPMC人工肌肉材料在驱动电场下的末端形变量、输出力和致动寿命等特性,探索膜内阳离子、材料含水能力、电极厚度和电场等因素对材料电致动性能的影响。为进一步开发IPMC智能材料提供理论依据和现实可能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 人工肌肉材料
• 1.3 离子型电活性聚合物人工肌肉材料
• 1.3.1 导电聚合物
• 1.3.2 碳纳米管复合材料
• 1.3.3 离子聚合物凝胶体
• 1.3.4 离子聚合物金属复合材料
• 1.4 IPMC 人工肌肉材料
• 1.4.1 IPMC 人工肌肉的结构
• 1.4.2 IPMC 人工肌肉的特性
• 1.4.3 致动机理
• 1.4.4 IPMC 的制备工艺
• 1.4.5 IPMC 材料的应用
• 1.4.6 IPMC 人工肌肉的发展及研究现状
• 1.5 本文的研究目的和意义
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验原理
• 2.2 实验原料及设备
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 实验仪器及设备
• 2.3 实验过程
• 2.3.1 银电极型IPMC（Ag-IPMC）的制备步骤
• 2.3.2 PVP 改性银电极IPMC（PVP-Ag-IPMC）的制备步骤
• 2.3.3 双金属电极IPMC（Au-Ag-IPMC）的制备
• 2.4 结构表征与性能测试
• 2.5 本章小结
• 第三章 IPMC 材料的表面电极结构及性能分析
• 3.1 IPMC 的电极结构
• 3.1.1 IPMC 的表面电极形貌及金属颗粒尺寸
• 3.1.2 IPMC 的断面形貌及电极厚度
• 3.2 IPMC 材料的吸水能力和失水率
• 3.2.1 IPMC 材料的吸水性能
• 3.2.2 IPMC 材料在空气中的失水率
• 3.3 IPMC 材料的表面电阻
• 3.3.1 反应次数对电极表面电阻的影响
• 3.3.2 分散剂对电极表面电阻的影响
• 3.3.3 电极金属对电极表面电阻的影响
• 3.4 IPMC 材料的力学性能研究
• 3.5 本章小结
• 第四章 IPMC 材料的电致动性能研究
• 4.1 IPMC 材料在直流电作用下的电致动性能研究
• 4.1.1 末端位移
• 4.1.2 末端输出力
• 4.1.3 电流特性
• 4.2 IPMC 人工肌肉在交流电作用下的电致动性能研究
• 4.2.1 IPMC 材料在空气中的致动寿命研究
• 4.2.2 IPMC 材料在空气中电致形变性能研究
• 4.3 本章小结
• 第五章 全文结论
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢