亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        多片疊加工藝提高IPMC力輸出性能研究*

        2012-06-27 03:21:46何青松湯伊黎韋海菊戴振東
        化學(xué)工程師 2012年12期
        關(guān)鍵詞:單片層數(shù)并聯(lián)

        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(xué) a.仿生結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)研究所;b.機電學(xué)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(tuán),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(dǎo)致沿膜厚方向含水量不均,產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)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(xué)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(xué)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(yīng)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(jìn)一步的應(yīng)用。因此,眾多學(xué)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(xué)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(jìn)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(dǎo)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?jǐn)嚢韬髮⒛>咧萌胝婵湛鞠渲校瑴囟仍O(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(fù)合材料 以澆鑄的Nafion膜為基體材料,進(jìn)行表面粗化,然后將其浸泡在鉑銨復(fù)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(dāng)?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(dāng)表面金屬電極,獲得IPMC復(fù)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(fù)合物([Pt(NH3)4]Cl2·x H2O)水溶液溶液中,鉑氨復(fù)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(xué)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(xué)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(yīng)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(xué)方法對IPMC材料力輸出性能進(jìn)行提升的同時,還可以通過物理方法進(jìn)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(yīng)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(jìn)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(dān)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(fù)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(yīng)用開發(fā)的限制,從而滿足相關(guān)應(yīng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(xué)鍍的方法成功制備了IPMC復(fù)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(jìn)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。

        [1] Shahinpoor M,Kim K J.Ionic polymer-metal composites:IV.Industrial and medical appilications[J].Smart Mater Struct.,2005,14:197-214.

        [2] ZhangW,Guo SX,Asaka K.A New Type ofHybrid Fish-likeMicrorobot[J].Int.J.Autom.Comp,2006,(4):358-365.

        [3] Yeom SW,OH IK.A biomimetic jellyfish robot based on ionic polymermetal composite actuators[J].Smart Mater Struct,2009,18:085002(10pp).

        [4] Kim K J,Shahinpoor M.A novelmethod manufacturing three-dimensional ionic polymer-metal composites (IPMC)biomimetic sensors,actuatorsand artificialmuscles[J].Polym.,2002,43:797-802.

        [5] Lee S J,Han M J,Kim S J,et al.A new fabrication method for IPMC actuatorsand application toartificial fingers[J].SmartMater Struct,2006,15:1217-1224.

        [6] 于景榮,衣寶廉,劉富強,等.再鑄Nafion膜的制備和應(yīng)用[J].膜科學(xué)與技術(shù),2002,22(4):26-29.

        [7] 江新民.IPMC人工肌肉制備,改性和建模[D].南京:南京航空航天大學(xué),2006.

        [8] Yu M,Shen H,Dai Z D.Manufacture and performance of Ionic polymer-metalcomposites[J].JBionic.Eng.,2007,(4):143-149.

        [9] Noh T-G,Tak Y,Nam J-D,et al.Electrochemical characterization ofpolymer actuatorwith large interfacial area[J].Electrochim Acta,2002,47:2341-2346.

        [10] Onishi K,Sewa S,Asaka K,et al.Morphology of electrodes and bending response of the polymer electrolyte actuator[J].Electrochim Acta,2000,46:737-743.

        猜你喜歡
        單片層數(shù)并聯(lián)
        基于織物單片集成的無線表皮生物傳感腕帶實現(xiàn)高兼容性集成互連
        填筑層數(shù)對土石壩應(yīng)力變形的影響研究
        上海發(fā)布藥品包裝物減量指南
        康復(fù)(2022年31期)2022-03-23 20:39:56
        識別串、并聯(lián)電路的方法
        MoS2薄膜電子性質(zhì)隨層數(shù)變化的理論研究
        電子制作(2019年11期)2019-07-04 00:34:50
        高溫低濕單片燃料電池城市工況循環(huán)測試
        審批由“串聯(lián)”改“并聯(lián)”好在哪里?
        并聯(lián)型APF中SVPWM的零矢量分配
        一種軟開關(guān)的交錯并聯(lián)Buck/Boost雙向DC/DC變換器
        燃料電池堆單片電壓一致性研究進(jìn)展
        青青草原亚洲在线视频| 亚洲色无码国产精品网站可下载| 成av人片一区二区三区久久| 乱子伦av无码中文字幕| 国产一区二区毛片视频| 久久久精品人妻一区二区三区妖精 | 人妻少妇久久中中文字幕| 天天躁日日躁狠狠躁| 男女扒开双腿猛进入免费看污| 日韩人妻无码精品系列专区无遮| 熟女少妇精品一区二区三区| 加勒比hezyo黑人专区| 国产精品白浆在线观看无码专区| 中字亚洲国产精品一区二区| 久久久精品国产老熟女| 亚洲日韩小电影在线观看| 无码少妇a片一区二区三区| 一区二区三区内射视频在线观看| 国产91在线精品观看| 亚洲av无码一区东京热久久| 一本一道波多野结衣一区| 男人天堂AV在线麻豆| 91九色播放在线观看| 欧美猛少妇色xxxxx猛交| 女人与牲口性恔配视频免费| 一区二区特别黄色大片| 美女很黄很色国产av| 天天影视性色香欲综合网| 国产精品玖玖玖在线资源| 日本一区二区视频免费在线观看| 欧美国产激情二区三区| 国产成人精品一区二区视频| 国产一区二区精品网站看黄| 刚出嫁新婚少妇很紧很爽| 国产裸体xxxx视频在线播放| 欧美亚洲国产人妖系列视| 日本不卡一区二区三区在线观看| 伊人久久精品无码二区麻豆| 精品午夜福利1000在线观看| av免费看网站在线观看| 国产丝袜美腿精品91在线看|