多片疊加工藝提高IPMC力輸出性能研究*

于 敏 ，何青松 ，b，湯伊黎 ，b，韋海菊 ，b，戴振東

（南京航空航天大學 a.仿生結(jié)構(gòu)與材料防護研究所；b.機電學院，江蘇 南京 210016）

IPMC（Ionic polymer-metal composite）是一種新型的電致動聚合物材料，由全氟磺酸離子聚合物（如Nafion膜）與嵌在膜表面的納米金屬電極（如Pt）組成。IPMC基底膜（Nafion膜）同時具有親水和憎水基團，在膜內(nèi)部形成了許多納米尺度的微管道，外加電場作用下，基材中溶劑化水合離子在微管道內(nèi)定向遷移，導致沿膜厚方向含水量不均，產(chǎn)生內(nèi)應力，引起IPMC的形變。IPMC材料在較低電壓（約1～3V）激勵下會產(chǎn)生超過90°的彎曲變形，質(zhì)量輕，質(zhì)地柔，無噪音，生物相容性好，在微型機器人、人工肌肉、仿生機械等領(lǐng)域，IPMC作為驅(qū)動器被廣泛地研究。美國新墨西哥大學人工肌肉研究所（AMRI）的Mohsen Shahinpoor等使用IPMC作為驅(qū)動器設(shè)計了微型抓取器、人工心臟的輔助壓縮舒張裝置等[1]，日本香川大學Zhang等設(shè)計了IPMC驅(qū)動的水下機器人，可以實現(xiàn)泳動、行走和漂浮等運動[2]。Yeom等研制了仿水母機器人[3]。這些研究展示了IPMC潛在的應用價值，但是現(xiàn)有的IPMC驅(qū)動器力輸出較低，僅為毫牛級，這大大限制了其在工程中進一步的應用。因此，眾多學者致力于IPMC輸出力的提高，如Kim等[4]用聚合物溶液澆鑄技術(shù)制備加厚的全氟磺酸膜,以提高IPMC的輸出力。Lee等通過熱壓和增加化學鍍的次數(shù)來提高IPMC的輸出力[5]。

本文針對IPMC輸出力較小，在制備單片IPMC膜的基礎(chǔ)上，通過多片IPMC薄膜的疊加工藝提高IPMC的輸出力，研究疊加層數(shù)對輸出力的影響。

1 實驗部分

1.1 Nafion膜的澆鑄和IPMC的制備

1.1.1 澆鑄Nafion膜 Nafion膜的成膜機理是濃溶液揮發(fā)過程中大分子鏈段進入晶格并由無序變?yōu)橛行虻慕Y(jié)晶過程，不是簡單的溶液揮發(fā)過程。為了避免成膜初期因低沸點溶劑快速揮發(fā)，大分子鏈段還未有序重排而導致膜脆裂現(xiàn)象，制備中使用高沸點溶劑DMF（二甲基甲酰胺）置換低沸點溶劑[6]。自制澆鑄模具的尺寸為長7cm，寬4cm，高6cm，計算可得所需 Nafion 溶液（DE520，5%，Dupont）的量 W=4×7×h/5%（mL）。其中h（cm）為所要制備 Nafion干膜的厚度。試驗確定所需DMF（33%）的量與Nafion溶液的量的體積比為1∶4[7]。澆鑄主要過程如下：將經(jīng)過計算求出的Nafion溶液和DMF依次加入PDMS模具中，充分攪拌后將模具置入真空烤箱中，溫度設(shè)置為70℃，成膜后將溫度升高為150℃，并保持8min退火得到Nafion膜。澆鑄流程如圖1所示，制備獲得了厚度為0.20mm的Nafion基底膜。

圖1 Nafion溶液澆鑄過程Fig.1 Cast procedure using liquid Nafion solution

1.1.2 制備IPMC復合材料 以澆鑄的Nafion膜為基體材料，進行表面粗化，然后將其浸泡在鉑銨復合物水溶液溶液中使[Pt（NH3）4]2+滲入薄膜表面。通過使用適當?shù)倪€原劑,可將鉑離子還原成納米狀態(tài)的金屬鉑粒,鉑的納米顆粒滲入到薄膜的表層深處，充當表面金屬電極，獲得IPMC復合材料[8]。主要制備步驟（圖2）如下：（1）Nafion膜表面粗化。使用金剛砂紙輕柔打磨Nafion膜表面使其粗糙化，增大離子聚合物與金屬電極之間的交界面積，也增加了可吸附Pt離子的薄膜面積[9]。（2）離子吸附。在室溫條件將膜浸泡在含Pt濃度為2mg·mL-1的鉑銨復合物（[Pt（NH3）4]Cl2·x H2O）水溶液溶液中，鉑氨復合物的[Pt（NH3）4]2+與Nafion膜內(nèi)的H+發(fā)生交換，使得Pt離子吸附在Nafion膜上。（3）主化學鍍。使用硼氫化鈉（NaBH4，5%）作為還原劑，將吸附在Nafion膜上的Pt離子還原成納米級的Pt金屬，沉積在Nafion膜的表面。（4）次化學鍍。采用鹽酸羥胺（NH2OHHCl，5%）和水合肼（NH2NH2-～1.5H2O，20%）溶液作為還原劑，將溶液中的[Pt（NH3）4]2+通過還原反應繼續(xù)置換Pt顆粒到膜的表面，以增加電極厚度，減少IPMC表面電阻[10]。（5）離子交換。將膜在30℃下浸泡于1.5N LiCl溶液中24h，用Li+取代基體中的H+。

圖2 IPMC制備流程Fig.2 The fabrication procedure of IPMC

1.1.3 多片IPMC膜疊加 單片IPMC驅(qū)動力有限，在采用化學方法對IPMC材料力輸出性能進行提升的同時，還可以通過物理方法進行多片膜疊加工藝獲得較大的力輸出，以滿足不同領(lǐng)域應用開發(fā)的驅(qū)動需求。多片IPMC膜疊加驅(qū)動的方式可以采用串聯(lián)組裝和并聯(lián)組裝兩種方式。

串聯(lián)方式進行疊加，即將多片IPMC膜兩側(cè)金屬電極直接壓觸在一起，外加電極連接于整體組裝結(jié)構(gòu)的上下兩面，單片IPMC膜之間不需要加絕緣材料，因此，操作簡單、易于實現(xiàn)。但由于IPMC制備工藝的影響，同批制備獲得的IPMC其性能（如表面電阻）也不能保證完全相同。在總施加電壓一定的情況下，單片IPMC膜上所承擔的驅(qū)動電壓不易控制。如果其中的某一片IPMC的驅(qū)動電壓過高就可能發(fā)生電解或被燒壞，電壓過低則降低IPMC驅(qū)動能力。

并聯(lián)組裝結(jié)構(gòu)，如圖3所示，由IPMC膜、絕緣材料和電極組成，各單片IPMC膜的上側(cè)Pt金屬層和下側(cè)Pt金屬層分別連接外加交流電壓兩級，相鄰兩片IPMC膜Pt金屬層之間必須絕緣，其并聯(lián)電路如圖4所示。并聯(lián)組裝相對串連組裝結(jié)構(gòu)復雜一些，但由于相同的外加電壓信號同時驅(qū)動各單片IPMC膜，可保證各片膜同時動作，運動協(xié)調(diào)，減少單片膜之間力與位移的相互抵消和制約。本文在單片IPMC性能的基礎(chǔ)上，采用IPMC并聯(lián)組裝方式，著力于解決力輸出對于應用開發(fā)的限制，從而滿足相關(guān)應用領(lǐng)域的驅(qū)動要求。

圖3 三片IPMC組裝結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Diagram of three layers of IPMC assembly

圖4 多片IPMC并聯(lián)電路示意圖Fig.4 Diagram of the parallel circuit

1.2 測試平臺和試樣

測試平臺包括信號發(fā)生單元、試樣夾持裝置、力傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖5所示，用于測試IPMC條形試樣的輸出力。信號發(fā)生單元采用數(shù)字合成低頻功率信號發(fā)生器（SP1651，盛普科技）。力傳感器采用UMT-2微摩擦試驗機（CETR,USA）的量程為10g的微傳感器。測試時，按需要將IPMC裁剪成條形，一端通過電極夾裝固定，一端懸置，力傳感器置于IPMC試樣懸置末端，獲得試樣的單向最大輸出力。

單片IPMC條形試樣的尺寸為35mm×5mm×0.2mm（長×寬×厚），分別進行2片并聯(lián)疊加、3片并聯(lián)疊加和5片并聯(lián)疊加。先測試單片試樣力輸出，然后將單片進行并聯(lián)疊加測試疊加力輸出效果。測試中輸入激勵信號均采用正弦信號，頻率設(shè)定為0.1Hz，驅(qū)動IPMC的電壓峰值為2.5V。所有測試過程均在空氣中進行，每次測試前將IPMC試樣浸于去離子水中吸收足夠的水分后進行測試。

圖5 IPMC性能測試系統(tǒng)Fig 5 Apparatus for the actuation testof IPMC

2 測試結(jié)果與分析

實驗設(shè)計了兩片疊加、3片疊加和5片疊加的測試，研究IPMC疊加層數(shù)對IPMC試樣末端的力輸出的影響。單片IPMC試樣、兩片疊加試樣和3片疊加試樣的力測試結(jié)果比較如圖6所示，單片1試樣末端平均最大輸出力為0.76mN，單片2的平均最大輸出力為0.67mN，單片3為0.69mN。單片1和單片2疊加后的末端平均最大輸出力為0.97mN，單片1、單片2和單片3疊加后末端輸出力為1.3mN。結(jié)果表明，多片疊加后IPMC試樣力輸出比單片顯著增高，2片疊加比單片平均力輸出值提高了1.35倍，3片疊加力輸出值比單片平均提高了1.84倍。理論上2片疊加輸出力的最大值為兩單片之和，即1.43mN，因此疊加后力的輸出效率為2片疊加試樣輸出力（0.97mN）與兩單片輸出力和（1.43mN）的比值，即67.7%（0.97mN/1.43mN），同理可以計算出3層疊加后的疊加效率為61.8%。

圖6 兩層和3層IPMC疊加測試結(jié)果（正弦波，2.5V，0.1Hz）Fig.6 Results of composition of two and three layers of IPMCs（sinusoidal voltage,2.5V,0.1Hz）

圖7為單片IPMC試樣和5片疊加試樣的力測試結(jié)果。

5個單片IPMC試樣力輸出分別為0.63，0.41，0.58，0.52，0.64mN，這 5 片疊加后輸出力為 1.63mN，疊加效果顯著，比單片平均輸出力增加了2.93倍，但其疊加效率僅為58.6%。

圖7 5層IPMC疊加測試結(jié)果（正弦波，2.5V，0.1Hz）Fig.7 Results of composition of five layers of IPMCs（sinusoidal voltage,2.5V,0.1Hz）

2片疊加、3片疊加和5片疊加效率比較見圖8。

圖8 IPMC疊加效率Fig.8 Composition efficiency of IPMs

IPMC試樣在正弦波驅(qū)動下，隨著疊加層數(shù)的增加，疊加后力的輸出效率逐漸下降。采用并聯(lián)方式對IPMC進行多層疊加可以顯著提高其輸出力，但多層IPMC的輸出力并不是簡單的每個單片IPMC的輸出力之和，層數(shù)越多，疊加效率越低。此外，疊加效率還受多種因素的影響，例如IPMC試樣制備的工藝、電極材料、絕緣層材料、兩片薄膜之間的粘貼情況等。

3 結(jié)論

本文采用聚合物溶液澆鑄技術(shù)澆鑄了Nafion膜，在該基體膜上采用化學鍍的方法成功制備了IPMC復合材料，采用并聯(lián)的方法疊加多片IPMC，在測試平臺上測試了疊加后IPMC的輸出力。結(jié)果表明，采用并聯(lián)方式對IPMC進行多層疊加可以顯著提高其輸出力，但多層IPMC的輸出力并不是簡單的每個單片IPMC的輸出力之和，隨著疊加層數(shù)的增加，疊加后力的輸出效率逐漸下降。

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