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Nafion薄膜/金属 复合材料的制备及其电致动性能研究

作　者: 王意
导　师: 姚琲
学　校: 天津大学
专　业: 材料学
关键词: 离子聚合物金属复合材料 电致动性能 双金属电极 聚乙烯吡咯烷酮
分类号: TB333
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 72次
引　用: 2次
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内容摘要


离子聚合物金属复合材料(Ionic Polymer-Metal Composites,IPMC)是一种新型的智能材料,在电场驱动下,能产生摆动、弯曲等类似肌肉的响应,在致动器、传感器和人工肌肉等方面有广阔的应用前景。传统IPMC材料由离子聚合物薄膜和金属铂(Pt)电极复合而成,生产成本高且致动性能较不稳定,导致材料很难投入实际应用。本文依据上述情况,探索低成本IPMC材料的制备工艺并对金属电极进行优化改性,提高材料的使用性能和寿命。采用金属银(Ag)作电极材料,并用银镜反应还原Ag离子,形成IPMC的表面电极,合成了Ag-IPMC;针对该方法制备的电极层缺陷,在还原反应中添加分散剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP);并利用磁控溅射技术在Ag-IPMC表面溅射纳米金(Au)颗粒,分别得到PVP-Ag-IPMC和新型的双金属电极Au-Ag-IPMC材料。利用扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射仪和原子力显微镜等仪器分析以上不同制备工艺下IPMC材料的表面电极结构;采用四探针法和拉伸实验等手段表征IPMC的物理性能;并研究IPMC人工肌肉材料在驱动电场下的末端形变量、输出力和致动寿命等特性,探索膜内阳离子、材料含水能力、电极厚度和电场等因素对材料电致动性能的影响。为进一步开发IPMC智能材料提供理论依据和现实可能。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章 绪论  7-22
  1.1 引言  7
  1.2 人工肌肉材料  7-8
  1.3 离子型电活性聚合物人工肌肉材料  8-9
    1.3.1 导电聚合物  8
    1.3.2 碳纳米管复合材料  8-9
    1.3.3 离子聚合物凝胶体  9
    1.3.4 离子聚合物金属复合材料  9
  1.4 IPMC 人工肌肉材料  9-20
    1.4.1 IPMC 人工肌肉的结构  9-12
    1.4.2 IPMC 人工肌肉的特性  12-13
    1.4.3 致动机理  13-15
    1.4.4 IPMC 的制备工艺  15-16
    1.4.5 IPMC 材料的应用  16-19
    1.4.6 IPMC 人工肌肉的发展及研究现状  19-20
  1.5 本文的研究目的和意义  20-22
第二章 实验部分  22-31
  2.1 实验原理  22-25
  2.2 实验原料及设备  25-26
    2.2.1 实验原料  25
    2.2.2 实验仪器及设备  25-26
  2.3 实验过程  26-28
    2.3.1 银电极型IPMC（Ag-IPMC）的制备步骤  26-27
    2.3.2 PVP 改性银电极IPMC（PVP-Ag-IPMC）的制备步骤  27-28
    2.3.3 双金属电极IPMC（Au-Ag-IPMC）的制备  28
  2.4 结构表征与性能测试  28-29
  2.5 本章小结  29-31
第三章 IPMC 材料的表面电极结构及性能分析  31-50
  3.1 IPMC 的电极结构  31-42
    3.1.1 IPMC 的表面电极形貌及金属颗粒尺寸  31-39
    3.1.2 IPMC 的断面形貌及电极厚度  39-42
  3.2 IPMC 材料的吸水能力和失水率  42-45
    3.2.1 IPMC 材料的吸水性能  43-44
    3.2.2 IPMC 材料在空气中的失水率  44-45
  3.3 IPMC 材料的表面电阻  45-48
    3.3.1 反应次数对电极表面电阻的影响  45-46
    3.3.2 分散剂对电极表面电阻的影响  46-47
    3.3.3 电极金属对电极表面电阻的影响  47-48
  3.4 IPMC 材料的力学性能研究  48-49
  3.5 本章小结  49-50
第四章 IPMC 材料的电致动性能研究  50-68
  4.1 IPMC 材料在直流电作用下的电致动性能研究  50-58
    4.1.1 末端位移  51-55
    4.1.2 末端输出力  55-56
    4.1.3 电流特性  56-58
  4.2 IPMC 人工肌肉在交流电作用下的电致动性能研究  58-66
    4.2.1 IPMC 材料在空气中的致动寿命研究  58-62
    4.2.2 IPMC 材料在空气中电致形变性能研究  62-66
  4.3 本章小结  66-68
第五章 全文结论  68-70
参考文献  70-75
发表论文和参加科研情况说明  75-76
致谢  76

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 复合材料 > 金属－非金属复合材料
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