定向碳纳米管增强的IPMC人工肌肉材料的制备及应用研究

IPMC(Ionic polymer-metal composites，离子聚合物金属复合材料)人工肌肉材料有望改变驱动技术的现状，具有巨大的应用前景。本项目在前期研究的基础上，以改善IPMC材料内部微观孔道，提高IPMC力输出性能为目标，将定向碳纳米管技术与IPMC制备相结合，进行定向碳纳米管增强的IPMC合成制备研究，同时结合材料表面织构、离子工作介质等方面的优化提高IPMC驱动的力输出性能和离水工作时间，并通过理论建模分析定向碳纳米管增强对IPMC驱动性能的影响。在性能提升的基础上进行IPMC的仿生应用示范研究，将IPMC应用于仿生眼球的驱动以取代目前仿生眼球复杂的机械驱动系统，同时也进行人体主动式无导管检查机器人的IPMC驱动的尝试。该项目的研究对高性能机器人和MEMS系统的发展具有重要意义。

IPMC离子聚合物人工肌肉材料有望改变驱动技术现状，具有巨大应用前景。本项目以提高IPMC驱动的力输出性能和离水工作时间为目标，将碳纳米材料技术与IPMC制备相结合，进行基体材料改性、表面电极织构优化、新型离子工作介质IPMC研制，并同时进行物理力学模型研究，探索IPMC驱动仿生应用。.从碳纳米改善、基膜改性、表面处理、新型工作介质等几个方面综合优化了IPMC的驱动性能。采用表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵分散碳纳米管于Nafion中，通过连续浇铸法成功制备了三层Nafion结构，将MWCNT，Pd，Pt沉积至Nafion薄膜作为复合电极；MWCNT层填充金属镀层表面的裂缝，阻止纳米铂颗粒氧化，保证了电极的稳定性；浇铸了氮掺杂碳纳米笼的Nafion基底膜，NCNCs的掺杂使得基底膜的弹性模量及含水量增加；研究了聚合物膜与电极界面微纳米织构对IPMC性能的影响，发现大的交界面积产生大的电双层电容，从而提升IPMC驱动性能；制备了多孔基底膜IPMC，并将离子液体替代水作为IPMC的工作介质，多孔结构使得以离子液体为介质的IPMC响应速度及输出性能得到明显提高；研制了一种新型的离子型电致动聚合物，由离子型电解质层夹层于两侧的石墨烯薄膜电极热压而成。从初期Nafion商业膜制备IPMC试样获得的约1 mN的末端输出力，到最新研制的碳纳米管铂复合电极强化的IPMC，输出力达到了63.7 mN（216 mN/mm），离水驱动5 min依然保持最大位移量的80%，其驱动输出性能已产生了质的飞跃。文献检索，较国际同行制备的IPMC材料（Palmre V，2014；Lee J W，2014；Park J，2014；Bhattacharya S，2015），已达到该领域先进水平（He Q S, 2013, 2014）。.建模方面采用了Nernst-Planck 方程和Navier-Stokes方程来描述水合阳离子的迁移，建立了考虑泄漏电流的电学模型，获得IPMC智能材料输入输出变量关系，指导高性能IPMC研制。在性能提升的基础上进行IPMC的仿生应用示范研究，将IPMC应用于仿生壁虎脚趾的驱动，同时也进行人体主动式无导管检查胶囊机器人的IPMC驱动的应用研究，通过实验研究验证了其仿生应用的可行性。该项目的研究对高性能仿生机器人和MEMS系统的发展具有重要意义。