通過非對稱電極實現(xiàn)IPMC單向彎曲

王茂林，于 敏，何青松，劉志剛

通過非對稱電極實現(xiàn)IPMC單向彎曲

王茂林1，2，于 敏1，何青松1，劉志剛1，2

（1．南京航空航天大學(xué)仿生結(jié)構(gòu)與材料防護研究所，南京200016；2．南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京200016）

針對常規(guī)對稱電極的離子聚合物?金屬復(fù)合材料（IPMC）在交流信號的作用下僅能夠產(chǎn)生往復(fù)擺動這種單一運動形式對其開發(fā)利用的限制，通過在傳統(tǒng)IPMC鉑電極表面的一側(cè)鍍銅制備出非對稱電極IPMC，實現(xiàn)了IPMC的單向彎曲。利用掃描電鏡對樣品鉑電極層表面鍍銅的厚度觀察，結(jié)果顯示在IPMC電極一側(cè)分別電鍍1? 01 μm、2? 59 μm、3? 80 μm銅層；通過激光位移傳感器對樣品末端的位移進行測試，結(jié)果表明，在正弦電壓信號的激勵下，非對稱電極的IPMC有單向彎曲的趨勢，當(dāng)鍍銅層厚度達到3? 80 μm，即銅層厚度與鉑層厚度之比達到2? 06時，IPMC正向最大位移與負向最大位移相差5倍，單向彎曲的趨勢明顯，且傾向于向更厚的鉑銅復(fù)合鍍層方向彎曲。

IPMC；柔性材料；非對稱電極；單向彎曲

1 引言

電活性聚合物具有特殊的機電耦合特性，在電場刺激下能夠產(chǎn)生一定的變形，離子聚合物?金屬復(fù)合材料（Ionic Polymer?Metal Composites，IPMC）是一種新型的離子型電活性聚合物，由中間的離子交換膜和兩側(cè)的金屬層構(gòu)成，具有類似三明治的結(jié)構(gòu)［1］。與傳統(tǒng)的電活性材料相比，IPMC具有驅(qū)動電壓低、變形相對較大、質(zhì)量輕以及反應(yīng)迅速等優(yōu)點，因此越來越引起研究者的關(guān)注［1?2］。其致動機理主要是：在交流電場的作用下，IPMC基膜內(nèi)可移動水合陽離子由陽極向陰極移動，導(dǎo)致陰極的水合陽離子增多，陽極的水合陽離子減少，宏觀上表現(xiàn)為陽極收縮，陰極膨脹，因此IPMC向陽極彎曲［3］。

根據(jù)IPMC的電活性特性，研究者將IPMC投入更多的工業(yè)及其他方面應(yīng)用。NASA對IPMC的應(yīng)用做了諸多探索，利用IPMC材料在交流電場中產(chǎn)生往復(fù)擺動的特點，制備了應(yīng)用于太空探測器相機鏡頭除塵的除塵裝置［3］。良好的柔軟性和收縮性使得IPMC在仿生機器人方面也有應(yīng)用，如Guo等研制了一系列微型水下機器人，可以實現(xiàn)在水下行走、旋轉(zhuǎn)、游行、漂浮等動作［4］。Shahinpoor等利用IPMC制備四足抓取器，在0? 1 Hz、5 V的驅(qū)動電壓下能抓起約10? 3 g重量的小石子，這種抓取器可適用于更惡劣的低溫工作環(huán)境［5］。此外，將IPMC應(yīng)用于空間非合作目標(biāo)衛(wèi)星的在軌柔性捕獲有望降低因采用傳統(tǒng)對接機構(gòu)、機械臂等捕獲操作機構(gòu)帶來的控制技術(shù)難度和發(fā)射重量成本，但這種柔性捕獲技術(shù)要求IPMC具有更多的運動形式和控制靈活性［6?8］。而常規(guī)對稱電極的IPMC在交流信號的作用下僅產(chǎn)生往復(fù)擺動［1］，運動控制單一，不能滿足在軌柔性捕獲技術(shù)的要求。因此，為實現(xiàn)IPMC更多運動形式的控制，本文提出一種實現(xiàn)IPMC的單向彎曲的方法：通過在傳統(tǒng)IPMC表面鉑電極單側(cè)貼覆膠帶，單側(cè)鍍銅制備出非對稱電極的IPMC，實現(xiàn)IPMC在正弦電壓信號下的單向彎曲。

2 實驗

2? 1 非對稱電極IPMC的制備

2? 1? 1 鉑電極的制備

IPMC由位于中間的離子交換膜和兩側(cè)的金屬電極層構(gòu)成，實驗使用美國DuPont公司生產(chǎn)的商業(yè)Nafion?117膜作為離子交換膜，厚度為0? 2 mm；采用鉑作為IPMC的電極，通過化學(xué)鍍方法在Nafion膜表面沉積一層鉑電極。

IPMC鉑電極的制備過程如下：1）膜的表面粗化：裁剪適當(dāng)大小的Nafion基膜，用手工打磨法正反兩面分別打磨15 min，其目的是增加電極和基底膜的接觸面積，便于Pt顆粒的沉積；2）膜的清洗：將打磨后的基底膜先超聲清洗30 min，接著用5%的鹽酸煮30 min，除去膜表面的雜質(zhì)，再用去離子水煮30 min，除去殘留的鹽酸；3）離子吸附：將膜置于Pt濃度為3? 5 mg·mL－1的［Pt（NH3）4］Cl2溶液中浸泡14 h，完成離子吸附；4）主化學(xué)鍍：采用NaBH4作為還原劑進行初始化學(xué)鍍，將鉑復(fù)合陽離子在Nafion膜表面還原生成鉑電極層，反應(yīng)溫度為42℃到62℃；5）次化學(xué)鍍：為提高表面質(zhì)量，需進行二次化學(xué)鍍，將膜浸泡在［Pt（NH3）4］Cl2溶液中，采用NH2OH·HCl（1? 5 wt%）和N2H4·1? 5H2O（20 wt%）作為還原劑進行二次化學(xué)鍍，得到IPMC試樣；6）離子交換：水煮30 min除去殘留的HCl，將化學(xué)鍍后的IPMC在LiCl溶液中浸泡兩天完成離子交換，得到兩側(cè)鍍有鉑電極的IPMC。

2? 1? 2 鉑電極表面的單側(cè)鍍銅

在傳統(tǒng)IPMC鉑電極表面單側(cè)鍍銅完成非對稱電極IPMC的制備。為了實現(xiàn)IPMC單側(cè)鍍銅，實驗采用掩膜法［9?10］對一側(cè)的電極進行掩蓋，在另外一側(cè)實現(xiàn)單側(cè)鍍銅。采用電鍍法［11?13］在IPMC鉑電極表面單側(cè)鍍銅，由于外加電流的作用，只有導(dǎo)電的鉑電極附近有電子的供給，燒杯中其他位置沒有電子的供給，因此電鍍法只在鉑電極表面附近發(fā)生銅離子的還原反應(yīng)，也只在鉑電極表面沉積銅層，且電化學(xué)法反應(yīng)時間短，鍍層厚度容易控制，便于進行對比實驗。

具體實驗過程如下：先將表面鍍鉑的IPMC裁剪為25 mm×5 mm條狀，在2%的銅離子溶液中浸泡2 h進行離子吸附；吸附后取出，并在IPMC鉑電極一側(cè)貼覆膠帶掩蓋，將貼好膠帶的IPMC懸掛在2%的銅離子溶液中作陰極，陽極材料選用銅，施加0? 3 V的直流電壓，兩電極之間的距離為1 cm，分別通電0 min、2 min、4 min、6 min，從而在IPMC鉑電極表面一側(cè)電鍍不同厚度的銅；最后取下膠帶，用去離子水沖洗后，保存在LiCl溶液中備用。最終得到非對稱電極的IPMC。2? 2 性能測試

通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM，ZEISS SIGMA，德國）觀察IPMC電極的厚度；如圖1所示，通過激光位移傳感器（LK?80、KEYENCE，中國）采集IPMC的位移，用來表征IPMC的彎曲性能的變化，測試環(huán)境為空氣中、20℃、相對濕度為45%，測試電壓為正弦交流電壓（2? 5 V，0? 1 Hz）。

3 實驗結(jié)果與分析

3? 1 實驗結(jié)果

常規(guī)兩側(cè)鍍鉑的1＃IPMC試樣，單側(cè)鍍不同厚度銅電極的2＃、3＃和4＃IPMC試樣，四種試樣單側(cè)鍍銅的時間分別為0 min、2 min、4 min和6 min，如圖2所示。4種試樣的大小均為25 mm ×5 mm。

在掃描電鏡（SEM）下對4種試樣進行了觀察。如圖3所示，電鍍0 min的1＃試樣的鉑層厚度為2? 28 μm，銅層厚度為0 μm；電鍍2 min、4 min、6 min的2＃、3＃和4＃IPMC試樣銅層的厚度分別為1? 01 μm、2? 59 μm、3? 80 μm?？梢钥闯鲭S著電鍍時間的增加，電極厚度有也相應(yīng)的增加。

對IPMC進行交流電壓下的彎曲性能測試，激勵電壓為正弦交流電壓2? 5 V，頻率為0? 1 Hz，4種IPMC試樣的測試結(jié)果如圖5所示。

從測試結(jié)果圖4可以看出，常規(guī)兩側(cè)鍍鉑的1＃IPMC試樣在交流電壓的驅(qū)動下，正向位移與負向位移的大小基本一致，沒有單向彎曲的趨勢；單側(cè)鍍不同厚度銅的2＃、3＃和4＃IPMC試樣的位移情況發(fā)生了明顯的變化，如圖5所示，2＃、3＃和4＃試樣的正向位移明顯大于1＃試樣的正向位移，且隨著銅層厚度的增加，位移增大的幅度越大；2＃、3＃和4＃試樣的負向位移相比1＃試樣負向位移均有明顯的減小，有單向彎曲的趨勢。此外，對圖3和圖4中實驗結(jié)果進行整理，分別計算出銅層與鉑層厚度之比，以及對應(yīng)樣品的正向與負向最大位移之比，得到IPMC彎曲不對稱性與鍍層厚度的關(guān)系，如圖5所示，隨著銅層與鉑層比值的增加，IPMC正向位移與負向位移比值不斷增大，即彎曲不對稱性越大，當(dāng)銅層與鉑層比值為2? 06時，引起IPMC彎曲的不對稱最明顯，正向位移與負向位移比值達到5? 05，趨于單向彎曲。

3? 2 分析

與常規(guī)兩側(cè)鍍鉑的IPMC相比，單側(cè)鍍銅后引起了位移不對稱變化，IPMC試樣向鉑?銅復(fù)合電極層方向彎曲增大，向純鉑電極方向彎曲減小。引起這種變化的原因可能有以下兩方面：1）單側(cè)銅電極引起厚度的增加；2）單側(cè)鍍銅后銅電解形成銅離子引起基膜內(nèi)可移動離子數(shù)量增加。

1）IPMC一側(cè)位移減小的原因分析

IPMC致動機理是：在交流電場的作用下，IPMC基膜內(nèi)可移動水合陽離子由陽極向陰極移動，引起陰極的水合陽離子增多，由于水合陽離子之間相互排斥，引起陰極部分膨脹，最終導(dǎo)致IPMC宏觀上的彎曲［1?2］。實驗制備的2＃、3＃、4＃IPMC試樣，一側(cè)為純鉑電極，另一側(cè)為鉑?銅復(fù)合電極。相比兩側(cè)為純鉑電極的1＃試樣，單側(cè)銅層的引入導(dǎo)致IPMC單側(cè)的鉑?銅復(fù)合電極的厚度和剛度比純鉑電極的更大。由力與變形的關(guān)系可知，在相同驅(qū)動力作用下，剛度越大，變形量越小。因此，在交變電壓的激勵下，當(dāng)鉑?銅復(fù)合鍍層做陰極時，水合陽離子遷移到鉑?銅復(fù)合鍍層附近，水合陽離子間的排斥作用引起陰極膨脹，與常規(guī)兩側(cè)鍍鉑的IPMC相比，鉑?銅復(fù)合鍍層厚度增加會導(dǎo)致應(yīng)變減小，最終導(dǎo)致IPMC向純鉑電極層方向位移減小。

2）IPMC另一側(cè)位移增大的原因分析

在交變電壓的激勵下，當(dāng)鉑?銅復(fù)合鍍層做陽極時，一方面，基膜內(nèi)部水合陽離子遷移到純鉑電極附近，引起純鉑電極層的膨脹，而鉑?銅復(fù)合電極層厚度的增加對純鉑電極層的膨脹影響不大，因而對IPMC位移影響較?。涣硪环矫?，當(dāng)鉑?銅復(fù)合鍍層做陽極時，電極兩側(cè)會發(fā)生如下的反應(yīng)［10］：

陽極反應(yīng)：Cu（s）＋5H2O→Cu2＋·5H2O＋2e－

陰極反應(yīng)：Cu2＋·5H2O＋2e－→Cu（s）＋5H2O

同時，Cu2＋·5H2O會在電場的作用下，從陽極遷移到陰極附近，Cu2＋·5H2O的遷移給IPMC基膜內(nèi)部提供了更多的陽離子，從而為IPMC彎曲提供更大的動力。在交變電壓的激勵下，當(dāng)鉑?銅復(fù)合鍍層做陽極時，在電場作用下，陰極附近（純鉑電極）有更多水合陽離子，從而IPMC向純鉑電極層位移增大。因此，Cu2＋·5H2O的遷移一定程度上造成IPMC向純鉑電極層方向更大的彎曲。

綜上所述，單側(cè)鍍銅后一側(cè)位移減小是由于鍍銅后剛度的增加，另一側(cè)位移的增加是由于單側(cè)鍍銅提供更多可遷移的陽離子。最終導(dǎo)致IPMC一側(cè)位移減小，另一側(cè)位移增加，引起彎曲不對稱。

4 結(jié)論

IPMC鉑電極表面單側(cè)鍍銅可以明顯改變IPMC的輸出位移；單側(cè)鍍銅后，IPMC一側(cè)的位移減小，另一側(cè)位移增大，且傾向于向鉑銅復(fù)合電極層彎曲；當(dāng)電化學(xué)鍍銅的厚度增加到一定程度（3? 8 μm）時，即單側(cè)銅層厚度與鉑層厚度之比達到2? 06時，IPMC單向彎曲的趨勢明顯，正向最大位移與負向最大位移相差5倍，IPMC在交流電壓驅(qū)動下趨于單向彎曲。

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（責(zé)任編輯：龍晉偉）

Realization of Unidirectional Bending of IPMC by Asymmetric Thickness of Electrode

WANG Maolin1，2，YU Min1，HE Qingsong1，LIU Zhigang1，2
（1．Institute of Bio?inspired Structure and Surface Engineering，Nanjing 200016，China；2．Institute of materials science and technology，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 200016，China）

Conventional Ionic Polymer?Metal Composites（IPMC）with symmetrical electrodes can produce reciprocating swing under the excitation of AC signal，but this single mode of motion limits its further development and utilization．To realize IPMC unidirectional bending，the asymmetrical e?lectrodes of IPMC was prepared by plating copper on one side of the Pt electrode，and the effects of asymmetrical electrodes on IPMC bending performance were investigated．The SEM results showed that the 1．01 μm，2．59 μm and 3．80 μm copper layers were electroplated on the surface of one side of the Pt electrode．The tip displacement measurement results showed that，under the excitation of the sinusoidal voltage signal，the IPMC with asymmetrical electrodes produced unidirectional ben?ding，and when the copper layer reached 3．80 μm，where the ratio of the thickness of the copper layer to the thickness of the platinum layer was 2．06，the maximum displacement of positive direc?tion was about five times that of the negative direction and the trend of unidirectional bending of the IPMC was obvious and tended to bend to the direction of the Pt?Cu electrode．

IPMC；flexible material；asymmetric thickness；unidirectional bending

TB381

A

1674?5825（2017）04?0541?05

2016?12?09；

2017?07?03

國家自然科學(xué)基金航天聯(lián)合基金項目（U1637101）；國家自然科學(xué)基金（51605220，51175251）

王茂林，男，碩士研究生，研究方向為材料學(xué)。E?mail：1025997009＠qq．com