IPMC人工肌肉機電性能建模及其在作動器上的應用.pdf

1、離子聚合物金屬復合物(簡稱IPMC)是一種新型智能材料，屬于電活性聚合物(EAP)范疇，在電壓激勵下可以產生大變形。它具有驅動電壓低、變形大、無噪音、推重比大和柔順等特點，非常適用于微機械、微電子以及微控制系統(tǒng)；目前，已經成為世界微小型驅動器和傳感器的研究熱點之一。同時，為達到增大傳遞效率，簡化驅動機構，減小結構尺寸以及提高系統(tǒng)可靠性的目的，其研究目標也向小型化、精細化、靈巧化、柔順化、知性化等方面發(fā)展。
　　 雖然IPMC具有

2、以上優(yōu)點，但是其電響應性能不穩(wěn)定，材料的電激勵機理不完善，導致其應用還主要停留在實驗室測試階段。為提高IPMC薄膜電響應性能，本文圍繞其電響應特性進行了詳細的研究，內容涵蓋材料的制備、改性、建模、實驗和應用。本文的主要研究工作如下：
　　 (1)制備了Pt電極型IPMC薄膜；測量了其水溶脹特性、電致變形特性、力學輸出特性。同時，改造后的網格Pt電極型IPMC薄膜在5min內(傳統(tǒng)IPMC薄膜工作30s內會發(fā)生回彈)沒有發(fā)生回彈現

3、象，提高了IPMC材料的電響應的穩(wěn)定性。
　　 (2)發(fā)現了Pt電極型IPMC薄膜具有根部彎曲的非線性大變形現象。其自由段即使在無電壓激勵的情況下，根部在電激勵下的變形就可以導致其末端大變形。本文著重研究了此類IPMC的電激勵模型，分析了其內部物理變化規(guī)律；基于Nemat-Nasser的耦合分析并利用能量守恒定律，推導出集電學、化學、力學和流體的四場耦合IPMC電響應模型，仿真精度提高到13％(傳統(tǒng)Nemat-Nasser模型對

4、本文中IPMC計算誤差為72％)。
　　 (3)針對三種IPMC薄膜進行了驅動性能仿真計算，模擬出材料根部和自由段內含水量、內部應力和應變、楊氏模量等關鍵性能參數的變化規(guī)律以及其隨激勵時間的非線性變化規(guī)律；求解出IPMC薄膜末端位移響應與其關鍵參數之間的關系；最終仿真出IPMC薄膜末端變形隨時間變化的關系。實驗結果與仿真結果一致性較好，驗證了含根部彎曲非線性變形仿真模型的合理性、可靠性和有效性。
　　 (4)實驗發(fā)現了I

5、PMC電響應性能(變形、應力和應變)在啟動時的三種非線性現象，對其分別進行了仿真計算。仿真結果與實驗顯示：在啟動階段中，上述三個性能參數與激勵電壓的關系曲線都近似為指數遞增模式，而穩(wěn)態(tài)階段應力和應變仍然為指數遞增模式，但變形卻可以近似為線性遞增關系。通過設計了薄膜電激勵測試實驗，驗證了導致上述現象的原因來源于材料自身的充電效應。
　　 (5)開發(fā)了三款簡易的IPMC手爪，它們具有耗能小、結構簡單、柔順、安靜、體積小、推重比大等特