電活性聚合物致動器機電響應(yīng)特性研究

伍偉敏，劉懷民

(1.湖南財經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，湖南 衡陽 421002;2.南華大學(xué)機械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

0 引言

電活性聚合物(electroactive polymer，EAP)被認為是一種替代傳統(tǒng)致動器的潛在材料。其中，以聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺最為典型。這類高分子聚合物以其質(zhì)量小、質(zhì)體柔軟、易加工、生物相容性良好、電致應(yīng)變(彎曲或伸展)較大、能在空氣和液體介質(zhì)中工作等顯著特性[1-4]，受到了國內(nèi)外學(xué)者極大的關(guān)注。這類材料在電壓刺激下，其內(nèi)部會產(chǎn)生可逆的氧化還原反應(yīng)，引起體積和力學(xué)性能的變化，在電壓激勵撤銷后又能恢復(fù)到原始的形狀或體積。因此，EAP可以用來作為致動器。基于EAP致動器可以在空氣和液體介質(zhì)下以極低的電壓(1 V，15～20 mA)進行驅(qū)動，其體積的變化則可高達39%[5]。這類材料可進行微型化構(gòu)件設(shè)計，使其成為微電子機械系統(tǒng)(micro-electromechanical systems，MEMS)裝置，廣泛適用于微閥、微型機器人、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備、人工肌肉等領(lǐng)域[6-8]。另外，電活性聚合物表現(xiàn)的電化學(xué)、化學(xué)特性也引起了越來越多的研究者的關(guān)注，并將其應(yīng)用擴展到電化學(xué)傳感器、貯能材料等[9-10]領(lǐng)域。本文針對一種離子型EAP致動器材料進行研究，通過對尺寸為10 mm×2 mm的聚吡咯致動器施加階躍電壓、方波電壓及正弦波電壓，分析驅(qū)動電壓波形、幅值及頻率對致動器位移響應(yīng)影響，為電活性聚合物致動器的實際應(yīng)用提供理論參考。

1 試驗材料與裝置

1.1 電活性聚合物致動器

電活性聚合物致動器由聚合物層和電解質(zhì)儲層構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)形式根據(jù)組成成分的不同分為多種形式，如聚合物/基體雙層型、聚合物/基體/聚合物三層結(jié)構(gòu)形式。本文研究的聚合物致動器是由聚合物/基體/聚合物構(gòu)成的三層條形結(jié)構(gòu)。其中，聚合物為聚吡咯，基材采用多孔隙聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)膜，起到支撐和儲存電解質(zhì)溶液的作用。試驗所用致動器材料尺寸為10 mm×2 mm，電解質(zhì)溶液采用0.5M LiTFSI / PC(PC為碳酸丙烯酯試劑)。

致動器材料制備過程中，聚合物經(jīng)過摻雜后可大大改善其性能。對經(jīng)摻雜處理的致動器施加電壓，在電勢的作用下，聚合物層和基體電解質(zhì)中離子發(fā)生遷移運動。處于正極的聚合物層離子遷入發(fā)生氧化反應(yīng)，從而導(dǎo)致該聚合物層體積膨脹[11-12]。相應(yīng)地，負極聚合物層離子遷出發(fā)生還原反應(yīng)，導(dǎo)致該聚合物層體積收縮。由于致動器兩外側(cè)聚合物層發(fā)生的氧化還原反應(yīng)是可逆過程，通過控制驅(qū)動電壓，就可以很容易地控制致動器體積的變化。聚吡咯可逆氧化還原反應(yīng)如圖1所示。

圖1 聚吡咯可逆氧化還原反應(yīng)(A-)

1.2 試驗裝置

致動器的機電響應(yīng)特性試驗裝置如圖2所示。非接觸式激光位移傳感器(SENSOPART)測量致動器的尖端位移變化情況，并通過數(shù)據(jù)采集卡(PCI-1710U)將數(shù)據(jù)傳送至計算機。功率放大器(HEAS-50)用來放大數(shù)據(jù)采集卡上的輸出信號。試驗過程中，致動器位移變化圖像由高速攝相機(FASTEC)進行采集。條形致動器試樣夾在兩銅片電極接線端之間，接線端與功率放大器相連接，驅(qū)動電壓波形由Matlab/Simulink 模塊產(chǎn)生，并經(jīng)信號輸出模塊輸出至功率放大器，施加于致動器試樣上。

圖2 試驗裝置圖

2 試驗結(jié)果與分析

試驗過程中，驅(qū)動電壓采用階躍電壓、正弦波及方波電壓。致動器位移隨施加在其上的驅(qū)動電壓而變化。當在條形致動器上施加電壓作用時(如施加電壓為1 V)，致動器彎曲響應(yīng)向電壓的正極方向彎曲。如果電壓反向，致動器彎曲的方向也將隨之改變。

階躍電壓下致動器尖端位移響應(yīng)曲線如圖3所示。從圖3可以看出致動器在不同的階躍電壓(0.1～1.0 V)下的位移響應(yīng)。

圖3 階躍電壓下致動器尖端位移響應(yīng)曲線

方波電壓下，致動器尖端位移響應(yīng)曲線如圖4所示。從圖4可以看出，致動器在頻率為0.5 Hz時，方波電壓(幅值±1.0 V)下的位移響應(yīng)。

圖4 方波電壓下致動器尖端位移響應(yīng)曲線

由圖3和圖4可知,致動器階躍電壓位移響應(yīng)經(jīng)過5 s左右達到穩(wěn)定狀態(tài)，電壓為1 V下的穩(wěn)態(tài)彎曲位移變化值可達2.22 mm。幅值為±1 V方波驅(qū)動電壓下致動器穩(wěn)定狀態(tài)位移變化值則為1.96 mm。在致動器的承載電壓范圍內(nèi)，當頻率一定時，致動器尖端位移隨驅(qū)動電壓的增大而增大。當驅(qū)動電壓為正弦波和斜波電壓時，致動器位移響應(yīng)變化趨勢與階躍電壓和方波電壓對應(yīng)的趨勢一致。

將驅(qū)動電壓下致動器穩(wěn)定狀態(tài)位移響應(yīng)幅值繪制成以驅(qū)動電壓為自變量的函數(shù)。致動器尖端位移響應(yīng)與驅(qū)動電壓關(guān)系如圖5所示。

圖5 致動器尖端位移響應(yīng)與驅(qū)動電壓關(guān)系圖

根據(jù)圖5可知，隨著驅(qū)動電壓增加，遷進遷出聚合物層的離子增多，導(dǎo)致聚合物層的膨脹收縮程度加?。恢聞悠鞯奈灰祈憫?yīng)與驅(qū)動電壓呈線性關(guān)系。與驅(qū)動電壓幅值相同時，階躍信號致動器尖端位移響應(yīng)幅值最大。

致動器施加驅(qū)動電壓產(chǎn)生的位移變化大小不僅與電壓大小有關(guān)，同時還與驅(qū)動電壓頻率相關(guān)。通過比較相同幅值、不同頻率驅(qū)動電壓下致動器尖端位移響應(yīng)，可分析位移響應(yīng)與頻率之間的關(guān)系。幅值為±1 V時，致動器在0.1 Hz正弦波電壓下和0.1 Hz三角波電壓下的致動器尖端位移響應(yīng)如圖6所示。

圖6 致動器尖端位移響應(yīng)曲線

由圖6可知，致動器位移響應(yīng)變化滯后驅(qū)動電壓變化。這一方面是由于致動器聚合層發(fā)生充分的氧化還原需要一定時間；另一方面在于聚合物致動器為黏彈性材料，其應(yīng)變與應(yīng)力之間會存在滯后現(xiàn)象，且滯后現(xiàn)象與驅(qū)動電壓頻率有關(guān)。

在幅值為±1 V時，對于不同波形，頻率變化時致動器位移響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖7 位移-頻率曲線

由圖7可知，致動器在低頻(f<0.1 Hz)時就可以產(chǎn)生較大的位移，并且其位移響應(yīng)幅值隨驅(qū)動電壓頻率的增大而減小，當達到一定頻率范圍(正弦波f>20 Hz)時，致動器的尖端位移接近于零。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是：隨著驅(qū)動電壓頻率增大，致動器內(nèi)離子遷移速率遞減。由于離子遷移率決定聚合物層的氧化反應(yīng)速率，高頻輸入電壓將會減少離子遷進遷出聚合物層的數(shù)量，影響可逆氧化反應(yīng)的速率，從而導(dǎo)致其位移極值不斷減小。

從圖7還可知，相同條件下，致動器在方波電壓下的位移響應(yīng)幅值大于正弦波及斜波，而且隨著頻率的增大，方波電壓的位移遞減較快，位移響應(yīng)幅值隨頻率的增大而減小，且呈非線性關(guān)系。當致動器上施加同頻率同幅值驅(qū)動電壓時，同一周期內(nèi)方波比正弦波和斜波具有更多的電能，因此在相同周期內(nèi)轉(zhuǎn)換的機械能也更多，從而導(dǎo)致方波電壓下致動器位移響應(yīng)幅值大于正弦波和斜波電壓。

3 結(jié)束語

本文以尺寸為10mm×2mm聚吡咯致動器為研究對象，進行機電響應(yīng)特性試驗，研究分析了致動器位移響應(yīng)與驅(qū)動電壓波形、幅值和頻率的關(guān)系。研究所得的結(jié)論如下。

①階躍電壓下致動器位移響應(yīng)經(jīng)過5 s左右達到穩(wěn)定狀態(tài)，僅1 V驅(qū)動電壓就可使致動器穩(wěn)態(tài)彎曲位移變化值達2.22 mm。在幅值為±1 V的方波驅(qū)動電壓下，致動器穩(wěn)定狀態(tài)位移變化值為1.96 mm。

②隨著驅(qū)動電壓增加，遷進遷出致動聚合物層的離子增多引起聚合物層的氧化還原加劇。其位移隨驅(qū)動電壓幅值的增大而增大，并呈線性關(guān)系。

③致動器位移響應(yīng)滯后驅(qū)動電壓變化，致動器在低頻(f<0.1 Hz)時位移變化較大，并且其位移響應(yīng)幅值隨驅(qū)動電壓頻率的增大而減小，呈現(xiàn)出非線性關(guān)系。在同頻率、同幅值的驅(qū)動電壓下，方波相對正弦波與斜波所具有的能量更多，其位移響應(yīng)變化幅值也更大。