第1章 离子型电活性聚合物材料概述 1
1.1 离子型EAP基本概念及分类 3
1.1.1 电响应离子凝胶材料 3
1.1.2 离子聚合物-金属复合材料 5
1.1.3 巴基凝胶驱动材料 6
1.1.4 导电聚合物驱动材料 7
1.2 离子型EAP材料电致变形过程分析的理论方法 9
1.2.1 质量传输过程 9
1.2.2 电极边界吸附过程 10
1.2.3 电化学反应过程 10
1.2.4 力学作用过程 10
1.3 离子型EAP材料的研究进展 11
1.3.1 驱动离子和溶剂的研究进展 11
1.3.2 聚合物网络材料的研究进展 12
1.3.3 电极材料及其形貌结构的研究进展 16
1.3.4 离子型EAP材料的发展前景 21
1.4 本章小结 24
参考文献 25
第2章 IPMC基本制备工艺 30
2.1 概述 30
2.2 实验原材料和设备 31
2.2.1 IPMC制备原材料和设备 31
2.2.2 原材料的化学性质 31
2.3 基体膜预处理工艺 35
2.4 浸泡还原镀工艺 38
2.4.1 浸泡还原镀工艺过程 38
2.4.2 浸泡还原镀形成的电极表面特征 42
2.4.3 浸泡还原镀形成的电极界面特征 43
2.5 自催化还原镀工艺 44
2.5.1 自催化还原镀工艺过程 44
2.5.2 自催化还原镀形成的电极表面特征 46
2.5.3 自催化还原镀形成的电极界面特征 46
2.6 材料后处理 48
2.7 IPMC制备工艺优化 49
2.7.1 浸泡还原镀工艺参数优化 49
2.7.2 自催化还原镀工艺参数优化 50
2.7.3 优化结果检验 53
2.8 本章小结 53
参考文献 54
第3章 IPMC的物理参数及力电响应特性 56
3.1 概述 56
3.2 IPMC弹性模量 57
3.2.1 测试方法 58
3.2.2 弹性模量变化规律 62
3.3 IPMC表面电阻率 63
3.3.1 测试方法 63
3.3.2 表面电阻率变化规律 63
3.4 IPMC介电常数 64
3.4.1 测试方法 64
3.4.2 IPMC的弛豫机制 65
3.4.3 不同电极IPMC的介电特性 69
3.5 IPMC力电响应特性 70
3.5.1 电致动测试仪器及平台 70
3.5.2 IPMC在直流激励条件下的力电响应规律 73
3.5.3 IPMC力电响应与电极沉积过程的关系 77
3.6 本章小结 80
参考文献 80
第4章 IPMC基体膜制备工艺 82
4.1 概述 82
4.2 Nafion溶液铸膜工艺 84
4.2.1 热处理温度对Nafion溶液铸膜的影响 84
4.2.2 溶液铸膜基本工艺 84
4.3 高沸点添加剂对IPMC性能的影响 86
4.3.1 高沸点添加剂对铸膜微观形貌的影响 86
4.3.2 高沸点添加剂对铸膜物理参数的影响 86
4.3.3 不同高沸点添加剂的IPMC力电性能 89
4.3.4 机电转换效率 91
4.4 基于厚膜制备工艺制备柱状IPMC 94
4.5 本章小结 96
参考文献 96
第5章 IPMC的性能优化 98
5.1 IPMC基体膜材料的糙化工艺改进 98
5.1.1 基体膜糙化方法对IPMC性能影响的比较 98
5.1.2 喷砂工艺参数对Nafion膜表面粗糙度的影响 101
5.1.3 喷砂工艺参数对IPMC性能的影响 103
5.2 枝状电极IPMC制备工艺 107
5.2.1 典型的电极界面类型及其作用 107
5.2.2 Pd型树枝状界面电极的发现及形成机理 108
5.2.3 树枝状界面电极IPMC的制备工艺 110
5.3 搅拌方式对IPMC性能的影响 117
5.3.1 不同搅拌方式对离子交换过程的影响 118
5.3.2 不同搅拌方式对IPMC浸泡-还原工艺还原过程的影响 121
5.3.3 不同搅拌方式对IPMC自催化还原镀工艺过程的影响 123
5.4 本章小结 125
参考文献 126
第6章 IPMC内部质量传递理论 128
6.1 IPMC变形的物理机制 128
6.2 不同质量传递理论的比较 135
6.2.1 不可逆过程热动力学模型 135
6.2.2 摩擦模型 137
6.2.3 Nernst-Planck方程模型 139
6.2.4 不同模型比较 141
6.3 基于NP方程改进的质量传递理论 142
6.3.1 传质过程 142
6.3.2 传质模型改进 143
6.3.3 传质模型简化 146
6.4 IPMC质量传递过程数值分析 148
6.4.1 离子的电迁移 148
6.4.2 水分子自扩散 150
6.4.3 离子和水分子的相互耦合效应 151
6.5 IPMC质量传递理论的推广 152
6.5.1 多组分类型质量传递 153
6.5.2 电化学反应参与的质量传递 153
6.6 本章小结 154
参考文献 155
第7章 IPMC多物理场耦合下的力电响应理论 158
7.1 IPMC的应力应变 158
7.1.1 理论概述 158
7.1.2 应变分析 159
7.1.3 芯层应力分析 160
7.1.4 电极的影响 163
7.2 IPMC双向可逆压电效应物理模型 164
7.2.1 电致变形过程物理模型 165
7.2.2 压力传感过程物理模型 166
7.3 IPMC电致响应分析 167
7.3.1 无水合效应的基本模型 169
7.3.2 考虑水合效应的改进型基本模型 173
7.4 IPMC在电激励下内部质量传递和分布实验 177
7.4.1 离子分布成像实验及结果 177
7.4.2 水分子分布成像实验及结果 178
7.5 本章小结 180
参考文献 180
第8章 IPMC本征应力与大变形特性 183
8.1 无量纲化模型 183
8.2 各种本征应力理论模型 184
8.2.1 静水压力 185
8.2.2 渗透压力 185
8.2.3 静电压力 186
8.2.4 毛细管力 188
8.3 本征应力特性的数值分析 188
8.3.1 饱和含水时本征应力特性 189
8.3.2 含水量变化时本征应力特性 192
8.4 不同本征应力对大变形特性的影响 194
8.4.1 饱和含水时不同本征应力对变形的影响 194
8.4.2 含水量变化时的不同效应对变形的影响 196
8.5 本章小结 198
参考文献 199
第9章 电极界面对IPMC性能影响的理论分析 201
9.1 电极界面粗糙特征对基体膜质量传递的影响 201
9.1.1 IPMC传质模型选择与简化 201
9.1.2 电极界面粗糙特征几何模型的建立 203
9.1.3 电极界面粗糙特征对IPMC传质影响的分析方法 205
9.1.4 电极界面粗糙特征对基体膜质量传递的影响规律 207
9.2 电极界面粗糙特征对材料电致响应的影响研究 211
9.2.1 IPMC电致响应理论模型 211
9.2.2 IPMC电致动响应仿真计算方法 213
9.2.3 电极界面对IPMC电致动响应的影响规律 214
9.3 电极界面对IPMC力学性能的影响 217
9.3.1 考虑电极的IPMC应变模型 217
9.3.2 电极层弹性模量计算模型 219
9.3.3 电极对IPMC线应变的影响 220
9.3.4 各向异性应变对IPMC电致动位移的影响 224
9.4 本章小结 225
参考文献 226
第10章 IPMC性能的稳定性 228
10.1 IPMC金属电极稳定性分析 228
10.2 含水量对IPMC稳定性的影响 230
10.2.1 IPMC含水量对其物理参数的影响 231
10.2.2 IPMC含水量对其变形的影响 235
10.2.3 空气湿度对IPMC稳定性的影响 237
10.3 驱动离子与溶剂种类对IPMC稳定性的影响 239
10.3.1 驱动离子对IPMC稳定性的影响 239
10.3.2 溶剂种类对IPMC稳定性的影响 241
10.4 IPMC的封装工艺 244
10.4.1 IPMC封装方式的确定 244
10.4.2 不同驱动离子IPMC的含水量与其变形关系 246
10.4.3 IPMC的套子封装工艺 248
10.4.4 IPMC封装后性能 249
10.5 本章小结 251
参考文献 252
第11 IPMC在光学装置及柔性操纵器中的应用 254
11.1 基于IPMC驱动的光学装置 254
11.1.1 光学镜头调焦的IPMC驱动结构 254
11.1.2 新型IPMC直线驱动器 256
11.2 基于IPMC的小型柔性智能操作器 265
11.2.1 基于IPMC变形的小型柔性操作手 265
11.2.2 基于IPMC的多自由度柔性操作臂 267
11.3 本章小结 274
参考文献 274