图案化电极的离子聚合物金属复合物扭转特性研究

徐 兵 杨汉生 叶 松 方愿捷

(巢湖学院机械与电子工程学院， 安徽 巢湖 238000)

图案化电极的离子聚合物金属复合物扭转特性研究

徐 兵 杨汉生 叶 松 方愿捷

(巢湖学院机械与电子工程学院， 安徽 巢湖 238000)

以商业膜和自制梯度膜为基膜，采用化学镀的方式得到图案化电极的离子聚合物金属复合物(IPMC)，分析其扭转特性。在直流电压驱动下，梯度膜IPMC可实现扭转角度大于商业膜IPMC可实现扭转角度；当直流电压为5V时，梯度膜IPMC扭转角度是商业膜IPMC最大扭转角度的5倍多。在交流电压驱动下，扭转角度随着电压逐渐增大而增大；当交流电压为5V时，梯度膜IPMC最大扭转角度是商业膜IPMC最大扭转角度的2倍多。

IPMC； 图案化； 梯度膜； 商业膜； 扭转特性

离子聚合物金属复合物(IPMC)是一种新型的电致动聚合物，由离子交换膜和上下两层金属层构成，具有柔性佳、质量轻、生物兼容性好及低电压驱动下变形大等特点，应用前景广泛[1-3]。目前，国外关于图案化IPMC的研究已取得了一定成果。在美国，内华达大学研究人员通过微铣刀加工得到了图案化电极的IPMC，并对其扭转特性作了进一步研究[4]。布里斯托尔大学研究人员通过电火花加工得到了图案化的IPMC，并对其扑动性能作了进一步研究[5]。密歇根州立大学研究人员通过刻蚀的方法得到了复杂运动变形的图案化电极IPMC[6]。韩国国立全南大学也通过图案化的电极实现了IPMC的波动和扭转运动[7]。本次研究将通过商业膜和自制梯度膜制备出图案化电极的IPMC，并建立测试系统，对2种图案化电极的IPMC扭转特性进行测试。

1 图案化电极IPMC的实验制备

用商业Nafion膜和自制的Nafion梯度膜为基膜，通过化学镀的方法使铂金属沉积在基膜两侧，从而制得IPMC。实验步骤如下：

(1) 裁剪适当尺寸的基膜，用砂纸打磨使其粗化，以利于金属电极的更好沉积。

(2) 清洗基膜。采用超声清洗、稀硫酸清洗、双氧水清洗等方法，用去离子水反复清洗以去除基膜表面的杂物。

(3) 离子交换。将处理好的基膜放入[Pt(NH3)4]Cl2溶液中浸泡14 h以上，使得铂离子渗入到薄膜内部，实现离子交换。

(4) 化学还原反应。通过还原剂硼氢化钠溶液得到底层电极层，再通过氯化羟胺和水合肼实现2次还原反应，得到致密的电极层。

(5) 用PI胶带贴合IPMC得到图案化的IPMC，并保持在去离子水中。

图1所示为图案化电极的IPMC。图中，Ⅰ区域是扑动变形区域，Ⅱ、Ⅲ区域为扭转变形区域，商业膜的厚度为0.178 mm，梯度膜的厚度变化为0.55～0.29 mm。

图1 图案化电极的IPMC

2 IPMC扭转特性测试

设计一款扭转特性测试系统，用于测试图案化电极的IPMC扭转特性，系统由波形发生器、功率放大器、IPMC、CCD图像采集系统等部分组成。对IPMC扭转特性进行测试：用铜电极夹住IPMC，波形发生器发送电信号，通过功率放大电路放大，驱动IPMC实现扭转变形；再通过CCD把图像采集到计算机中；最后通过ImageJ图像处理软件处理并给出扭转特性分析结果。

图2 测试系统

3 扭转特性测试结果及分析

图3所示为图案化电极IPMC直流驱动下的扭转变形。可以看到，从0～5 V的电压变化过程中，商业膜IPMC发生了一定的扭转变形，而梯度膜IPMC有明显的扭转变形。

图3 图案化电极IPMC直流驱动下的扭转变形

图4所示为图案化电极的IPMC在交流驱动下的扭转变形。由图中的拟合曲线可以看出，交流电压下梯度膜和商业膜的IPMC发生了一定的扭转变形。

图5、图6所示为图案化电极的IPMC扭转角随直流和交流电压的变化。由图5可见，梯度膜IPMC的扭转角从1.5 V开始急剧加大，在3.5 V左右趋于稳定，是商业膜IPMC扭转角的3倍多。由图6可见，2种IPMC扭转角度随电压的增大而平稳加大，梯度膜的IPMC扭转角是商业膜的2倍左右。

从实验结果分析可知，梯度膜为基膜的图案化电极IPMC具有较好的扭转特性，其主要原因是梯度膜结构可以达到更大的变形量。

图4 图案化电极的IPMC在交流驱动下的扭转变形

图5 图案化电极的IPMC扭转角随直流电压的变化关系

图6 图案化电极的IPMC扭转角随交流电压的变化关系

4 结 语

本次研究中，基于商业膜和梯度膜制备了图案化电极的IPMC，建立了一套离子聚合物金属复合物性能测试系统，对扭转运动过程中的扭转角度进行性能测试。实验结果表明，在直流电压驱动下，梯度膜的图案化电极IPMC扭转角度随电压增大速度较快，而商业膜的图案化电极IPMC扭转角度平稳增大。交流电压驱动下，2种类型的图案化电极IPMC扭转角度都随电压平稳加大。无论在直流还是交流电压驱动下，梯度膜的图案化电极IPMC都可以得到更大的扭转角度。

[1] KIKUCHI K ，SAKAMOTO T，TSUCHITANI S，et al.Comparative study of bending characteristics of ionic polymer actuators containing ionic liquids for modeling actuation[J].Journal of Applied Physics ，2011，109(7): :073505-073505-11.

[2] KARL A ，ADAM S，MAURIZIO P，et al.Bio-inspired hovering and locomotion via wirelessly powered ionic polymer metal composites[J].International Journal of Smart and Nano Materials，2011，7975: 296-308.

[3] PUGAL D，JUNG K，AABLOO A，et al.Ionic polymer-metal composite mechanoelectrical transduction: review and perspectives[J].Polymer International，2010，59(3): 279-289.

[4] JEON J H，YEOM S W，L-KWON O H.Fabrication and actuation of ionic polymer metal composites patterned by combining electroplating with electroless plating[J].Composites Part A: Applied Science and Manufacturing，2008，39(4): 588-596.

[5] ROSSITER J.Electrostatic and thermal segmentation of multi-segment IPMC sensor-actuators[C]//Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering.2011:7976.

[6] CHEN B，TAN Z X.Monolithic fabrication of ionic polymer-metal composite actuators capable of complex deformation[J].Sensors and Actuators A: Physical 2010，157(2): 246-257.

[7] RIDDLE R O，JUNG Y，KIM S M，et al.Sectored-electrode IPMC actuator for bending and twisting motion[C]Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering.2010:7642.

Study on the Torsion Characteristics of the Patterned Ionic Polymer Metal Composite

XUBingYANGHanshengYESongFANGYuanjie

(School of Mechanical and Electronic Engineering, Chaohu University, Chaohu Anhui 238000, China)

In this paper, the patterned IPMC is fabricated based on the basilemma of commercialized Nafion film and gradient Nafion film, and its torsion feature is studied. The results indicate that driven by DC voltage, the gradient film IPMC can realize the torsion angle larger than the commercial film, and can realize the torsion angle. Under the DC voltage, the torsion angle of the patterned IPMC with basilemma of gradient film is about 5 times larger than the one with basilemma of commercial film under 5V DC voltage. Under the AC voltage, the torsion angle increases with the voltage rising; and the torsion angle of the patterned IPMC with basilemma of gradient film is 2 times larger than the one with basilemma of commercial film when supplied 5V voltage.

IPMC; patterned; gradient film; commercialized film; the torsion characteristic

2016-12-31

安徽省高等学校自然科学研究项目“基于离子聚合物金属复合物的多自由度仿生扑翼运动驱动技术研究”(KJ2015A281)；安徽省巢湖学院校级科学研究项目“仿生扑翼机器人的研究”(XLZ-201506)

徐兵(1990 — )，男，安徽舒城人，助教，研究方向为驱动器、扑翼机器人。

TB34

A

1673-1980(2017)04-0072-03