多场耦合作用下IPMC材料界面结构对其机电性能的影响机理

Ionic Polymer-Metal Composite (IPMC) is a new type of intelligent materials, which has been explored extensively in biomimetic machinery and flexible mechanical-electronic devices. Given that the interface between the electrode and the polymer is essential to the electro-mechanical properties of IPMC and the regulation method of the interface is the current “bottleneck problem” to be solved, this project proposes to probe the influence mechanism of interface structure on the electro-mechanical properties of IPMC under multi-physics coupling. The interface formation (including the rough landscape between metal and polymer and micro/nano particles and porous structure) will be investigated through experiments and structural characterization method of the electrode interface will be explored; in addition, by introducing the interfacial features and the corresponding local transient electro-mechanical parameters into the mass transfer kinetics and dynamic stress/strain distribution model, a multi-physical model of IPMC will be established, with which the relationship of interface structure with the electro-mechanical parameters and dynamic response of IPMC, as well as the different requirement-oriented regulation methods of the interface properties will be analyzed from a microscopic point of view. This project is expected to realize application-oriented regulation of IPMC material and provide rationale and experimental basis for its process optimization, and thus will promote the practical application of the material.

离子聚合物-金属复合材料(简称IPMC)是一种新型智能材料，在仿生机器、柔性机械电子器件等领域极具应用潜力。该材料电极与聚合物的界面结构对其机电性能至关重要，其界面参数的调控机理是目前亟待解决的瓶颈问题，因此，本项目提出针对界面结构在电-化-机多场耦合条件下对IPMC机电性能的影响机理展开研究。项目将基于实验研究IPMC界面多尺度结构特征（金属与聚合物的粗糙接触面，微/纳米级渗入颗粒及多孔结构等）的形成规律，探索合理的电极界面表征方法；将界面结构边界及对应的局域瞬态力电参数引入质量传递动力学和应力/应变动态分布模型中，从微观角度建立IPMC多物理场模型；进而分析界面结构与IPMC力电参数和动态响应的关系以及面向不同功能需求的电极界面调控方法。本项目研究有望实现面向应用的IPMC界面调控，将为IPMC机电性能的优化改进提供实验依据和理论基础，对推动该类材料的实际应用具有重要价值。

离子聚合物-金属复合材料(简称IPMC)是一种新型智能材料，在仿生机器、柔性机械电子器件等领域极具应用潜力。该材料电极与聚合物的界面结构对其机电性能至关重要，其界面参数的调控机理是目前亟待解决的瓶颈问题，因此，本项目针对界面结构在电-化-机多场耦合条件下对IPMC机电性能的影响机理展开研究。项目首先根据现有IPMC制备工艺设计了正交实验，制备了不同界面特征的材料。通过SEM分析了材料的形貌特征，获取了电极厚度和界面面积，测试了材料的电致动性能及电化学性能。提出将W-M函数运用到模拟界面轮廓，基于有限元的思想，建立了基于W-M函数拟合界面轮廓的方法， 利用泊松方程和Nernst-Planck方程在COMSOL软件中建立了内部传质模型。将提取的实际界面、平电极和Koch曲线模型作为对比，分析了基于W-M函数模型的拟合结果，表明：与实际界面相比W-M函数模型的误差均小于4%，不同迭代次数的Koch曲线模型适合特定分形维数的界面。基于拟合结果，提出了有关特征尺度的经验公式。此外，基于W-M函数的核心参数—分形维数和特征尺度提出特征粗糙度的概念对界面轮廓进行表征。通过正交实验极差分析法，分析了工艺参数对IPMC界面特征粗糙度的影响规律。在此基础上，提出一种微针糙化工艺，通过控制负载和滚动周期来控制基膜的糙化程度，为基膜批量糙化提供了新思路。从基膜在制备工艺中的变化对界面电极形成的影响角度分析，首次提出将基膜糙化工艺置于第一次离子交换步骤之后，结合微针糙化工艺，开发了一套新的制备工艺流程，成功制备出深针状电极IPMC，渗入电极平均深度可达80 μm左右。渗入针状电极结构简洁，没有复杂的分支，降低了材料的刚度从而在很大程度提升了材料机电性能。对工艺改进前后的IPMC进行测试对比，发现改进后的比电容和末端位移最高分别为改进前的5倍和4倍，同时还具有高频响应特性，可实现在20 Hz频率下的有效工作。本项目的工作将为IPMC及其它电致动聚合物机电性能的优化改进提供实验依据和理论基础，对推动该类材料的实际应用具有重要价值。