導電聚合物驅(qū)動器電化學機械特性的研究

田素坤　王湘江

南華大學,衡陽,421001

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導電聚合物驅(qū)動器電化學機械特性的研究

田素坤王湘江

南華大學,衡陽,421001

采用自行搭建的導電聚合物驅(qū)動器彎曲特性測試實驗系統(tǒng)，研究其電化學機械特性。對不同長度的驅(qū)動器施加0～1 V低電壓，測量其頂端彎曲變形量；通過分析驅(qū)動器彎曲位移與電壓的關(guān)系及位移與頻率的關(guān)系，建立電機械轉(zhuǎn)換模型。實驗測試結(jié)果表明，電壓與驅(qū)動器頂端力成線性關(guān)系；當電壓為0.8 V、采樣周期為0.02 s時，隨著頻率的增大，驅(qū)動器的彎曲位移逐漸減小。最后通過不同尺寸驅(qū)動器舉起重物，驗證了驅(qū)動器寬度越大，頂端彎曲力越大；驅(qū)動器長度越長，頂端彎曲力越小。

導電聚合物；聚吡咯；電機械轉(zhuǎn)換模型；驅(qū)動器

0　引言

導電聚合物是由電性能和力學性能復合產(chǎn)生的一類極具發(fā)展?jié)摿Φ墓δ軓秃喜牧稀щ娋酆衔镆蚓哂心芎男?、質(zhì)輕、驅(qū)動電壓小、生物相容性高、柔韌性好等優(yōu)異特性，在仿生機器人和生物醫(yī)學設備中具有廣泛的應用前景，甚至在某些性能方面，導電聚合物與自然肌肉極為相似，被稱為“人工肌肉”[1-4]。聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PAN)、聚噻吩(PTh)是三種最常見的導電聚合物。導電聚合物巨大的發(fā)展?jié)摿σ鹆嗽S多學者的研究興趣。李新貴等[5]將自然肌肉與人工肌肉進行對比，指出人工肌肉具有柔韌性好、能耗小、生物相容性高等優(yōu)異的特性，是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ母叻肿硬牧?。李永航[6]對聚吡咯、聚苯胺等導電聚合物的電化學性能及其反應機理進行了研究，并對其電化學穩(wěn)定性進行討論。Christophersen等[7]研究了不同尺寸的雙層聚吡咯彎曲型驅(qū)動器的特性和建模。Gaihre等[8]制作出的微尺度三層彎曲型聚合物驅(qū)動器可用于細胞診斷、生物納米系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲器等領域。Madden等[9]根據(jù)雙層導電聚合物驅(qū)動器的工作原理，建立了等效電路圖，并提出了離子擴散-機械彈性變形的數(shù)學模型。以上研究都只是針對導電聚合物的性能和實際應用，并沒有建立驅(qū)動器的電機械轉(zhuǎn)換模型。本文根據(jù)導電聚合物驅(qū)動器的工作原理，參考材料固有參數(shù)和驅(qū)動器尺寸，結(jié)合實驗建立了驅(qū)動器的電機械轉(zhuǎn)換模型，并且通過實驗驗證了驅(qū)動器頂端是否可以承受力。

1　驅(qū)動器驅(qū)動機理

圖1為實驗用三層彎曲型導電聚合物驅(qū)動器示意圖。結(jié)構(gòu)主要有三層：兩個具有電活性的聚吡咯層和一個非導電多孔隙聚偏氟乙烯(PVDF)層。PPy層厚度約為30 μm，用于實現(xiàn)溶液中離子的交換，PVDF層厚度約為110 μm，用于儲存電解液(Li+TFSI-)。PVDF層兩側(cè)通過離子濺射技術(shù)鍍上很薄的多孔隙金層(離子可自由通過)，厚度約為1～10 nm，作為兩個電極使用，用來提高驅(qū)動器的導電性和剛度。

圖1　導電聚合物驅(qū)動器示意圖

驅(qū)動器PPy層兩側(cè)通入電壓后，其內(nèi)部將在形成的電場作用下發(fā)生氧化還原反應，其化學反應過程為

(1)氧化反應

PPy+TFSI-→PPy+TFSI-+e-

(2)還原反應

PPy+TFSI-+e-→PPy+TFSI-

參考化學反應過程和圖2的離子遷移示意圖，TFSI-作為PPy的摻雜離子，施加電壓后，正極PPy層氧化膨脹，負極PPy層還原收縮。為使驅(qū)動器內(nèi)部顯電中性，電解質(zhì)中的TFSI-向帶正電荷的PPy層遷移，而膜內(nèi)的陽離子由于固定在高分子鏈上，所以不發(fā)生遷移；同時，由于TFSI-離子親水性較好，遷移過程中伴隨著水合水分子的移動對體積改變也有一定影響[4,8,10]，最終膜內(nèi)水合水分子和陰離子聚集在陽極附近，膜內(nèi)產(chǎn)生壓力差使PPy層體積發(fā)生改變，進而導致驅(qū)動器頂端(自由端)向電源負極方向彎曲，即將內(nèi)部的電化學能轉(zhuǎn)為機械功，如圖2b所示。

(a)施加電壓前

(b)施加電壓后圖2　離子遷移示意圖

2　實驗測試及結(jié)果

導電復合材料的電致伸縮效應主要表現(xiàn)在其自身的變形上，0～1 V低電壓就可以讓驅(qū)動器自由端發(fā)生大變形，其形變量相對其他智能材料比較大。即使電壓很小時，其形變量也是存在的，只是肉眼很難觀察到，此處使用激光位移傳感器對驅(qū)動器在0～1 V低電壓下的電響應進行測量，激光位移傳感器最小分辨力為20 μm，模擬輸出0～10 V電壓信號，通過比例換算成位移值，經(jīng)PCI數(shù)據(jù)采集卡傳入計算機中。整個驅(qū)動器位移測試裝置示意圖見圖3，主要采用數(shù)字函數(shù)信號發(fā)生器(F20A)、高速攝像機(InLine系列)、激光位移傳感器(FT50)、PCI數(shù)據(jù)采集卡(PCI-1710U)以及電子天平(FA1104N)等設備進行數(shù)據(jù)的采集和測量，并進行分析計算。

圖3　驅(qū)動器位移測試系統(tǒng)示意圖

文中選用含有0.5 mol雙三氟甲基磺酰亞胺鋰(Li+TFSI-)的碳酸丙烯酯溶劑溶液作為實驗用電解液，而條形驅(qū)動器則是從大塊樣本中剪切得到，每次試驗前需將其存儲在此溶液中30 min直到使用。施加階躍電壓后，隨著通電時間的延長，驅(qū)動器的運動過程如圖4所示。當驅(qū)動器處于圖4中a位置時，施加0.4 V的正向電壓，驅(qū)動器自由端沿順時針方向彎曲到圖b位置，歷時5 s，隨著時間的延長，驅(qū)動器達到圖c位置，最終穩(wěn)定到圖d位置。上述即為驅(qū)動器在0.4 V電壓下的整個運動過程，達到穩(wěn)定狀態(tài)共需要15 s，最終恢復到初始位置。表1給出尺寸為6 mm×2 mm×0.17 mm的驅(qū)動器在0～1 V低電壓下的偏轉(zhuǎn)位移。

t=0 s　 　t=5 s　　t=10 s　　t=15 s圖4　驅(qū)動器運動過程圖

電壓(V)0.10.20.30.40.5位移(mm)0.18550.30270.41990.70311.1183電壓(V)0.60.70.80.91.0位移(mm)1.50141.86532.10942.40122.5682

在人工肌肉的實際應用中，通常需要對設計出的微操縱裝置進行力學分析。本文依據(jù)導電聚合物驅(qū)動器的工作原理，參考材料固有參數(shù)和驅(qū)動器尺寸，鑒于其自身特性和廣泛的應用前景，從驅(qū)動器的實際應用出發(fā)將其等效成懸臂梁結(jié)構(gòu)[11]，如圖5所示。

圖5　驅(qū)動器懸臂梁模型

在小變形的前提下，給出懸臂梁的撓曲線方程如下:

(1)

式中，ωq為載荷q作用下驅(qū)動器的彎曲撓度;EI為剛度，EI=0.145 367N·mm2。

由式(1)計算出不同電壓下的等效均布載荷值，如表2所示。

表2　驅(qū)動器穩(wěn)定電壓下的均布載荷值

參考圖5，使用疊加法求變形，根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件，可列出變形后的頂端力F：

(2)

通過式(2)得到的數(shù)據(jù)擬合出電壓與頂端力的線性關(guān)系，如圖6所示。擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2=0.9813，說明數(shù)據(jù)的擬合程度好，擬合可信度高。建立電壓(單位V)與頂端力的函數(shù)關(guān)系式：

F=0.005 92U-5.9739×10-4(mN)

(3)

參照圖5和驅(qū)動器的彎曲特性，可以推出等效均布載荷的方向與電壓的正負極有關(guān)，并且等效均布載荷的方向與驅(qū)動器的實際位移方向一致。

圖6　電壓與頂端力的關(guān)系

在0.8V電壓下，采樣周期設置為0.02s，對尺寸為6mm×2mm×0.17mm的驅(qū)動器施加不同頻率的正弦電壓，測得實驗數(shù)據(jù)，擬合出如圖7所示的曲線，相關(guān)系數(shù)R2=0.943 67，得出關(guān)系式：

s=0.360 49+2.083 25×0.0067f(mm)

(4)

圖7　頻率與位移的關(guān)系

從圖7中可以看出，當電壓頻率小于0.1Hz時，測得自由端偏轉(zhuǎn)位移基本穩(wěn)定，且位移值最大；頻率在0.1～0.3Hz范圍內(nèi)，偏轉(zhuǎn)位移大幅度下降；大于0.3Hz時，偏轉(zhuǎn)位移變化緩慢。這說明在電壓一定、頻率小于0.1Hz時，導電聚合物驅(qū)動器可以達到該電壓下的最大位移；而當頻率大于0.1Hz時，因驅(qū)動器反應速度慢和反向電壓的原因?qū)е买?qū)動器反向彎曲，并且沒達到最大偏轉(zhuǎn)位移。所以導電聚合物驅(qū)動器的電致伸縮特性具有頻率低通性。

采用自由端彎曲位移完全吻合法，將式(4)代入式(1)中得出均布載荷與頻率f的關(guān)系式：

q=3.234 77×10-4+0.001 87×0.0067f(MPa)

(5)

根據(jù)式(5)即可計算出不同頻率下的均布載荷。式(3)和式(5)給出電壓與力、頻率與均布載荷的函數(shù)關(guān)系，從而完成了驅(qū)動器電機械轉(zhuǎn)換模型的建立。將轉(zhuǎn)換模型計算出的驅(qū)動器頂端位移值與實驗測得值進行對比，結(jié)果如圖8和圖9所示，通過對比位移值來驗證電機械轉(zhuǎn)換模型的準確性。

圖8　電壓轉(zhuǎn)換模型計算值與實驗對比

圖9　頻率轉(zhuǎn)換模型計算值與實驗對比

從圖8和圖9中可以看出，由轉(zhuǎn)換模型得出的位移值與實測值吻合程度非常好，因此式(3)和式(5)作為電機械轉(zhuǎn)換模型是非常合理的。

圖10為測試驅(qū)動器頂端負載能力的測力結(jié)構(gòu)示意圖，通過驅(qū)動器舉起重物來說明其頂端力的存在。采用電子天平稱出單片條形驅(qū)動器(10mm×2mm×0.17mm)的重量為4.5mg，微型磁鐵固定在距離驅(qū)動器頂端1mm處，磁鐵直徑為1mm，厚度為0.5mm，8片磁鐵的總重量為21.2mg。參照圖5，將驅(qū)動器頂端承受的力等價為微型磁鐵的重力Fg，即F=Fg=mg，m為磁鐵的質(zhì)量。圖11為高速攝像機拍攝到的驅(qū)動器彎曲運動圖。通過實驗測得，在有負載的情況下，施加1V電壓時，對寬度為2mm、2.5mm、3mm、4mm的驅(qū)動器(長為10mm)進行受力測試，最終結(jié)論是(表3)：驅(qū)動器寬度越大，位移越大，即頂端力越大。表4為2mm寬驅(qū)動器頂端位移與長度的關(guān)系，從表中可以看出，存在負載時，驅(qū)動器長度越長，位移越小，即頂端力越小。

圖10　驅(qū)動器頂端測力結(jié)構(gòu)示意圖

圖11　驅(qū)動器彎曲運動實測圖

驅(qū)動器寬度(mm)2.02.53.04.0驅(qū)動器位移(mm)3.88233.91033.97504.0963

表4　不同長度驅(qū)動器的偏轉(zhuǎn)位移

3　總結(jié)

(1)根據(jù)TFSI-離子在電場作用下遷移運動導致驅(qū)動器PPy層體積變化的機理，研究驅(qū)動器的彎曲運動。采用驅(qū)動材料為PPy的導電聚合物驅(qū)動器搭建實驗系統(tǒng)，分別測量出不同電壓和頻率下驅(qū)動器的偏轉(zhuǎn)位移。

(2)通過研究尺寸為6mm×2mm的驅(qū)動器彎曲位移與電壓、位移與頻率的關(guān)系，建立電壓與頂端力的關(guān)系式：F=0.005 92U-5.9739×10-4(mN)；當電壓為0.8V、采樣周期為0.02s時，建立頻率與均布載荷的關(guān)系式：q=3.234 77×10-4+0.001 87×0.0067f(MPa)。

(3)通過驅(qū)動器頂端固定一定重量的磁鐵，驗證驅(qū)動器頂端可以承受力。且在施加1V電壓時，驅(qū)動器寬度越寬，位移越大；驅(qū)動器長度越長，位移越小。

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(編輯王旻玥)

Study on Electrochemical-mechanical Characteristics of Conductive Polymer Actuator

Tian SukunWang Xiangjiang

University of South China, Hengyang, Hunan, 421001

The bend characteristics testing experimental system was set up by actuator to study the electrochemical-mechanical characteristics. The bending deformation was measured by applying low voltage(0 ～ 1 V) to the actuator with different lengths. The relationship among the bending displacement, the voltage and the voltage frequency was analyzed. The electric-mechanical transfer model was established based on the experimental results. The results show that the voltage and the bending force are in a linear relationship. When the voltage is 0.8 V and sampling period is 0.02 s, the bending displacement of the actuator decreases gradually with the increase of the frequency. Furthermore, it is verified by lifting the weights of the drive of different sizes，the larger the width of the drive, the larger the bending force, and the longer the length, the smaller the bending force.

conductive polymer; polypyrrole; electric-mechanical transfer model; actuator

田素坤，男，1989年生。南華大學機械工程學院碩士研究生。研究方向為智能材料驅(qū)動控制和機電系統(tǒng)控制。王湘江，男，1972年生。南華大學機械工程學院教授。

2015-05-08

湖南省教育廳重點資助項目(13A081)

TP212

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.08.009