IPMC人工肌肉制备，改性和建模

论文摘要

本文研究了IPMC(Ionic Polymer Metal Composote)人工肌肉表面电极化学镀方法,通过实验总结了一套IPMC致动器表面电极化学镀标准化工艺。并利用商业的Nafion膜为基底材料成功制备了IPMC人工肌肉致动器试样。其次,为了提高IPMC致动器的输出力,通过实验总结了一套Nafion聚合物溶液浇铸工艺,利用Nafion聚合物溶液浇铸了较厚的Nafion膜,利用纳米压痕仪对浇铸的Nafion膜进行了弹性模量和硬度的测试,结果发现,浇铸的Nafion膜较商业Nafion膜提高2倍左右。利用浇铸的Nafion膜为基底材料,通过化学镀的方法成功制备了IPMC试样,通过测试其输出力和输出位移,结果表明,随着IPMC厚度的增加,IPMC致动器的输出力也会增加,但是其输出位移会相应减小,实验结果对后续的IPMC致动器设计研究提供帮助。同时,为了提高IPMC致动器的输出力和在空气中的工作时间,本文研究了对基底材料通过化学改性来提高基底材料Nafion膜的含水量,主要是通过TEOS和POMS对Nafion进行化学改性,以改性的Nafion膜为基底材料,通过化学镀沉积表面电极,成功制备了IPMC致动器试样,通过测试,改性的Nafion膜制备的IPMC致动器的输出力和工作时间较商业Nafion膜制备的IPMC有一定的提高。最后,本文根据IPMC致动器的致动机理建立了IPMC致动器的致动模型,并且根据该致动模型,以AutoCAD为平台,在AutoCAD上建立了IPMC致动器试样参数化设计界面,另外,通过实验及matlab曲线拟合,得到了IPMC致动器输出力和位移的开环传递函数,为后续IPMC致动器的控制研究奠定基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 IPMC 材料的历史
• 1.3 IPMC 致动器的工作机理
• 1.4 IPMC 人工肌肉致动器材料的优点
• 1.5 IPMC 人工肌肉致动器材料的研究应用
• 1.5.1 国外的研究应用情况
• 1.5.2 国内的研究应用情况
• 1.6 课题的提出和研究意义
• 1.6.1 课题的来源及资助
• 1.6.2 课题提出
• 1.6.3 本课题的主要研究工作及创新
• 1.6.4 本文的结构框架
• 第二章 IPMC 表面电极化学镀技术和性能测试平台
• 2.1 实验原理
• 2.2 实验原料和设备
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 实验设备
• 2.3 实验步骤
• 2.3.1 膜的粗化
• 2.3.2 离子吸附
• 2.4 IPMC 化学镀实验结果及总结
• 2.4.1 实验结果
• 2.4.2 实验总结
• 2.5 IPMC 人工肌肉材料性能测试平台
• 2.5.1 信号发生模块
• 2.5.2 电信号放大模块
• 2.5.3 位移测量单元
• 2.5.4 力测量单元
• 2.5.5 电流测量单元
• 2.5.6 数据采集模块
• 2.6 本章小结
• 第三章 Nafion 聚合物浇铸工艺的研究
• 3.1 Nafion 膜浇铸实验
• 3.1.1 实验药品及仪器
• 3.1.2 浇铸实验工艺
• 3.2 弹性模量和硬度的测试
• 3.2.1 测试设备及原理
• 3.2.2 实验测试数据
• 3.3 IPMC 人工肌肉材料的制备和性能测试
• 3.3.1 制备
• 3.3.2 测试
• 3.4 实验讨论
• 第四章 Nafion 聚合物的化学改性
• 4.1 IPMC 的内部网状管道结构
• 4.2 Nafion 溶液的 TEOS 改性
• 4.3 Nafion 溶液的 TEOS 和 POMS 化学改性
• 4.4 含水量的测试
• 4.4.1 测试方法与原理
• 4.4.2 含水量测试结果
• 4.5 化学改性IPMC 致动器的制备及在空气中工作时间的确定
• 4.6 输出力和位移的测试
• 4.7 IPMC 制备过程中的PVP 改性
• 4.8 实验总结
• 第五章 IPMC 致动器建模与仿真
• 5.1 基于 AutoCAD 平台的 IPMC 致动器的参数化设计仿真
• 5.1.1 IPMC 致动器的致动过程分析
• 5.1.2 IPMC 致动器的模型的建立
• 5.1.3 AutoCAD 的VBA 开发介绍
• 5.1.4 基于AutoCAD 平台IPMC 致动器参数化的实现
• 5.2 开环控制经验模型
• 5.2.1 实验试样
• 5.2.2 力学建模
• 5.2.3 位移建模
• 5.3 本章小节
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文的主要工作总结
• 6.2 工作展望
• 6.2.1 制备方面的展望
• 6.2.2 建模方面的展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果