IPMC智能材料电致动机理研究与变形控制

本项目以一种新型人工智能材料－IPMC为研究对象，采用细观试验观察与探测方法，通过膜内电渗和电极化学反应关联分析，描述电荷密度不平衡状态，确定离子间的相互作用力，并进行宏观表征。测量电极层均匀性分布特征，构造等效电路并确定元件参数，在3V以下电压作用下，确定驱动电流时变规律。考虑力电耦合，建立水合阳离子运动规律、水分子扩散规律和描述IPMC变形的力学控制方程。引入水份非均匀分布的压力差、离子间的相互作用力，建立IPMC材料粘弹性和几何大变形数值分析模型。选择预测与搜索算法，求解IPMC动力响应，揭示电致动宏观变形的细观机理。在此基础上，借助可靠的商用软件平台，开发IPMC电致动分析模块，对典型结构进行数值模计算。实现IPMC材料和结构变形控制分析，进而为产品优化设计提供技术支撑和便捷工具。本项目的研究成果，丰富和拓展了固体力学的研究内容和应用范围，为材料科学工作者提供优化设计的理论基础。

作为一种典型活性软物质，离子聚合物金属复合材料(简称IPMC)在弱电场作用下表现出超大变形，探索其细观组织结构特征，揭示其变形机理，设计其分析流程，实现其理想变形控制，能够为IPMC致动器设计提供理论基础和控制方法，使其在众多的工程领域得到应用。. 本项目的研究工作涉及到力学、物理学、化学、电学、材料学和生命学科，属于多学科交叉融合。主要研究内容有：采用实验方法，对Nafion膜进行表面金属层涂镀，形成IPMC电极。用显微测量仪器，确定金属层厚度、均匀性和致密性，分析IPMC组织结构特征并测试不同水分含量下的机械性能，获取用于理论分析模型和数值计算中的相关参数。建立了关于水合阳离子的控制方程和水分子扩散控制方程，确定方程中各作用力的影响系数，在力场和电场联合作用下，考虑变量关联，进行迁移和扩散耦合分析，实现电场-力场分析无缝连接。在大型商用数值分析软件平台上，通过用户接口设计高级应用程序，开发IPMC电致动分析子模块。对典型的IPMC结构进行动力学和大变形数值模拟，为产品设计提供科学依据和量化分析手段。. 研究工作的主要成果包括：.1、采用模拟电路实现外循环电流和电荷迁移电流，成功表述了IPMC片状材料在电场作用下电荷、电流、电压的分布规律。借助于用于描述静电相互作用的库伦作用力，并考虑水份非均匀分布的影响，得到IPMC超大变形，其转角变形达到3600。到目前为止，没有见到其它文献能够通过理论或数值分析得到如此超大变形。.2、考虑沿长度方向电场强度产生衰减的实验结果，将前人建立了关于IPMC一维变形分析模型推广到二维平面内，建立了关于IPMC电荷迁移的控制方程，配合水分扩散方程，对IPMC变形进行二维数值模拟，得到了理想结果。.3、在现有大型商用软件基础上，编写用户子模块，实现了电场电荷运动分析、扩散回复分析、机械变形分析和动力学分析一体化，整个分析过程无缝连接。.4、首次采用IPMC制作柔性致动器，包括人工括约肌、微夹钳、机器爬虫，进行了数值研究，完成了运动分析和变形控制，为IPMC相关产品优化设计提供了理论基础。. 本项目的研究工作解决了原计划中的关键科学问题，实现了多项创新，完成了全部研究内容，撰写了18篇相关研究论文，其中13篇已经在不同等级学术刊物上发表，同时也陈述了项目中存在的问题。