發(fā)布時間：2020-04-02 20:11

【摘要】：目前軟體機器人在國際上迅速崛起,有關軟體機器人的各種想法和設計層出不窮。而軟體機器人制備最主要的核心就是材料的選擇。離子聚合物金屬復合材料(IPMC)具備電場響應性快,質輕,在低電壓下會發(fā)生較大彎曲并且具有一定的力輸出等優(yōu)點,很多學者采用其作為軟體驅動材料來研究軟體機器人。目前國內(nèi)外制備IPMC柔性驅動器通常采用鉑(Pt)、金(Au)和鈀(Pd)等貴金屬,導致其成本過高,在一定程度上限制了 IPMC的廣泛應用。因此探索低成本的IPMC制備方法成為IPMC材料研究領域的一個重要方向。此外,目前對于IPMC的水下仿生應用也不是很詳盡。本文首先以杜邦公司的Nafion-117質子交換膜作為基膜制備了鉑型離子聚合物金屬復合材料(Pt-IPMC),之后在分析IPMC致動原理的基礎上探索以金屬銅(Cu)替代傳統(tǒng)Pt電極的制備方法。測試和分析了銅基離子聚合物金屬復合材料(Cu-IPMC)和Pt-IPMC的含水率,附著力,形貌,增重率,表面電阻,致動效果及力輸出等基本特性。通過對比發(fā)現(xiàn)Cu-IPMC的耐受電壓范圍為3-10 V,Pt-IPMC耐受電壓范圍為3-5 V,且Pt-IPMC能耐受的最大電壓遠大于Pt-IPMC。此外Cu-IPMC的力輸出最大為17mN,Pt-IPMC力輸出最大為13 mN。結果表明,采用廉價的Cu來替代昂貴的Pt用于制備IPMC是完全可行的。此外,本文將Pt-IPMC用于仿生應用研究,首先基于對Pt-IPMC的性能測試,研究了不同的Pt-IPMC的尺寸對其運動特性和力輸出的影響,確定了最佳的Pt-IPMC尺寸;分析了驅動電壓和驅動頻率對運動特性的影響,得出了頻率—位移特性規(guī)律與最佳驅動交流電為5 V,1 Hz,為鰩魚驅動系統(tǒng)設計與控制提供了依據(jù);通過分析鰩魚的結構特征,設計了 Pt-IPMC驅動方案,利用Pt-IPMC制備了仿生鰩魚;對自然界中的鰩魚進行步態(tài)分析,得到其游動時胸鰭上等距四點的相位關系;最后設計制作了驅動電路,并進行了仿生鰩魚的實際測試。結果表明,該仿生鰩魚在水里的游動速度可達到4 mm/s。
【圖文】：

西安科技大學全日制工程碩士學位論文認識。目前人們通常認為的驅動機理如下：型樹脂基 IPMC 為例，其常見的基底膜 Nafion11種全氟磺酸質子交換膜（其分子結構如圖 1.1 所示吸收大量極性溶液(如水等)。全氟磺酸膜內(nèi)部具有移動的陽離子能通過該網(wǎng)鏈擴散或遷移。如圖 1.其內(nèi)部各種離子在材料中均勻分布，當給 IPMC 膜在其內(nèi)部垂直于膜的方向上產(chǎn)生一個電場，在電場動水合陽離子在靜電力驅動下會從陽極遷移到陰合在一起的水分子則會向陰極聚集，，使得膜片靠陰的一面發(fā)生收縮（如圖 1.2（b）所示）。由于其內(nèi)，從而在宏觀上產(chǎn)生該材料向陽極方向的彎曲變形學者所認可[10]。

可移動的陽離子能通過該網(wǎng)鏈擴散或遷移。如圖 1.，其內(nèi)部各種離子在材料中均勻分布，當給 IPMC 膜會在其內(nèi)部垂直于膜的方向上產(chǎn)生一個電場，在電場移動水合陽離子在靜電力驅動下會從陽極遷移到陰結合在一起的水分子則會向陰極聚集，使得膜片靠陰極的一面發(fā)生收縮（如圖 1.2（b）所示）。由于其內(nèi)勻，從而在宏觀上產(chǎn)生該材料向陽極方向的彎曲變數(shù)學者所認可[10]。圖 1.1 全氟磺酸質子交換膜分子式 Molecular formula of perfluorosulfonic acid proton exchange（ a（ b
【學位授予單位】：西安科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP242;TB33

【參考文獻】

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1 徐巖;趙剛;朱玉敏;孫壯志;;Ag-IPMC的制備及形貌表征[J];中國有色金屬學報;2015年03期

2 趙揚;徐兵;鄭高峰;莊明鳳;黃偉偉;關明杰;;圖案化電極的離子聚合物金屬復合物扭轉特性研究[J];功能材料;2014年S1期

3 羅斌;朱子才;王永泉;常龍飛;陳花玲;;IPMC材料的性能穩(wěn)定性及封裝工藝研究[J];功能材料;2012年08期

4 李林朋;周軼然;林世偉;楊旭;郝麗娜;;IPMC人工肌肉的制備工藝研究與改進[J];功能材料;2011年01期

5 蘇玉東;葉秀芬;郭書祥;;基于IPMC驅動的自主微型機器魚[J];機器人;2010年02期

6 代麗君;;離子交換膜金屬復合材料的制備及其形貌表征[J];齊齊哈爾大學學報;2006年04期

7 羅玉元;李朝東;張國賢;;基于離子聚合物金屬復合結構(IPMC)的柔性致動器研究[J];中國機械工程;2006年04期

8 王海霞,余海湖,李小甫,姜德生;Pt-Ni/Nafion膜電致動材料的制備及性能研究[J];武漢理工大學學報;2004年12期

9 譚湘強,鐘映春,楊宜民;IPMC人工肌肉的特性及其應用[J];高技術通訊;2002年01期

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1 曾健;荷能重離子引起高定向石墨和石墨烯的輻照效應研究[D];蘭州大學;2014年

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本文編號：2612392