纳米钛酸钡改性IPMC的电流变机理及力学行为研究

As an electro-active smart material based on the migration of hydrated cations, Ionic Polymer-Metal Composite（IPMC）is one of the research hotspots in smart materials and structures and has wide prospects in aerospace, bionic driving and medical areas. IPMC can form a suspension system after absorbing water, so in this project, nano BaTiO3 particles are added into IPMC basic membrane, a BaTiO3 enhanced IPMC (BT/IPMC) new electro-active smart materials is produced due to the electro-rheological effect of BaTiO3 in a suspension system. The project will focus on the study of electro-rheological mechanics of BaTiO3 in a suspension system for BT/IPMC, and investigate the influence of the adding amount of BT on the basic mechanical properties and electric actuation properties of IPMC as well as quantitatively describe the strength, response speed, deformation amount and actuation forces of BT/IPMC. The coupling effects of the migration of hydrated cations and ordering arrangement of BaTiO3 under electric field will be studied. At last, the mechanic electric transformation model of BT/IPMC will be established and simplified, which will provide beneficial theoretical and experimental basis for the application of this BaTiO3 enhanced IPMC new electro-active smart material.

离子聚合物金属复合材料（IPMC）是一种基于水合阳离子迁移效应的电致动活性聚合物材料，是智能材料与结构领域中的研究热点之一，在航空航天、仿生驱动、医学等领域具有广泛的应用前景。IPMC聚合物吸水后形成的是类悬浮液体系，本项目提出在IPMC聚合物基体中添加纳米BaTiO3粒子，借助纳米BaTiO3粒子在类悬浮液体系中的电流变效应，复合成为具有双致动效应的BaTiO3增强型IPMC（BT/IPMC）。研究纳米BaTiO3粒子在类悬浮液体系中的电流变机理，以及BaTiO3掺杂量对BT/IPMC基本力学性能和电致动性能的影响，包括对BT/IPMC强度、响应速度、变形量以及驱动力等的定量描述；探讨电场作用下，水合阳离子迁移和纳米BaTiO3粒子成纤化有序排列之间的耦合作用机理，进而建立BT/IPMC在双致动效应下的力－电耦合模型，为高性能BT/IPMC新型电致动材料的应用奠定理论和实验基础。

离子聚合物金属复合材料（IPMC）被称为“人工肌肉”，其具有操作安全、耐腐蚀、变形量大等特点，是智能材料与结构领域的研究重点和热点之一。IPMC驱动力小，致动机理复杂，且非线性大变形的特点，限制了其在工程中的应用与发展。针对这些问题，本研究项目通过添加改性材料期望克服IPMC致动能力弱，强度和刚度小等缺点，并进一步提升材料的响应和致动速度，从而实现力学角度的材料可设计。本项目开展了以下几个方面的重要研究内容：（1）纳米级高介电添加材料的制备与改性；（2）填料增强型IPMC的制备工艺优化；（3）BaTiO3/IPMC的力学、电学及致动性能的测试与表征；（4）建立具有一定准确度的力电耦合模型。重要结果如下：（1）采用水热法并添加锑等改性元素，成功制备适于IPMC添加的BaTiO3纳米颗粒；（2）优化纳米级BaTiO3颗粒的分散工艺，改进溶液-浇筑制备流程，获得了多种组分的具有良好一致性的BaTiO3/Nafion基膜，并通过温控和浓度控制采用化学沉积方法制备了相应的IPMC试样；（3）对材料进行静载抗拉、弹性模量、基本电学参数以及电致动响应等测试。结果显示：BaTiO3/Nafion膜的弹性模量、抗拉强度等力学性能较传统IPMC显著提高，搭建IPMC弯曲形变挠曲线测试平台，对IPMC试样进行激励电压下的直流、交流驱动形变测试。结果显示：BaTiO3掺杂量为3%的IPMC驱动性能最好，其驱动弯曲角度最大，且响应速度最快；通过IPMC端部输出力测试平台，IPMC在直流激励下的力输出情况表明，Pt-IPMC力输出因掺杂量的不同而存在差异，掺杂了BaTiO3的IPMC的输出力明显大于未掺杂BaTiO3的IPMC，掺杂质量分数为3wt%的BaTiO3/IPMC输出力最大；（4）根据IPMC结构特点和纳米级高介电BaTiO3颗粒对IPMC力学和电学性能的影响，建立了IPMC力电耦合模型，验证结果显示:预测值与实验值对比误差均在10%以内。.项目进行过程中，所获得的部分关键数据整理后，共计发表SCI学术论文6篇，申请专利3项。另有部分数据仍在验证整理中。培养博士研究生1名，硕士研究生4名。本项目组提出的方法有望为IPMC的改性研究和力电耦合转换行为预测提供实验和理论支持。

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