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ipmc的驱动性能优化和自传感研究

IPMC的驱动性能优化和自传感研究

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作者：梅龙祥郑州轻工业大学

学位级别：硕士

离子交换聚合物/金属复合材料（ipmc）因其特殊的材料与结构,可作为人工肌肉驱动器和电子皮肤传感器。ipmc驱动器仍存在力输出低和驱动不稳定等缺陷;ipmc传感器可在驱动时同步工作,实现自感知,但传感与驱动信号的串扰问题仍然存在。针... 详细信息

离子交换聚合物/金属复合材料（ipmc）因其特殊的材料与结构,可作为人工肌肉驱动器和电子皮肤传感器。ipmc驱动器仍存在力输出低和驱动不稳定等缺陷;ipmc传感器可在驱动时同步工作,实现自感知,但传感与驱动信号的串扰问题仍然存在。针对以上问题,本论文研究了聚乙二醇（PEG）改性的氧化石墨烯（GO）对全氟磺酸（Nafion）基ipmc的机电性能的提升效果,同时进行了柔性圆形叉指电容传感器（CICS）的参数设计和传感性能研究,并将柔性矩形叉指电容传感器集成到具有增强机电性能的磺化SiO2-Nafion基ipmc表面,研究其作为自传感ipmc驱动器（SS-ipmc）的相关性能。研究结果表明:（1）使用PEG接枝GO（PEG-GO）,并将其掺杂到Nafion中成功得到PEG-GO/Nafion膜ipmc。杂化膜的离子交换容量提高26%,吸水性提高95%,杨氏模量提高78%。PEG-GO/Nafion膜ipmc具有优异的机电性能:摆动角为110.3°,偏转位移为8.13 mm,阻挡力为6.89 m N,稳定工作时间为485 s,与纯Nafion驱动器相比分别增加了92%,25%,209%和294%。（2）设计了一种CICS,通过研究发现叉指数目n和叉指宽度w与CICS的初始电容（C0）、相对电容变化（C-C0）/C0和灵敏度（GF）成正比,而叉指间距d则与之成反比。CICS表现出154 ms的短响应时间,且在应变为0-1.1%微小形变下表现出高灵敏度,GF值达到-24.55,在应变为1.1-7%的大形变下表现出高线性度,线性相关系数R2值为0.996。CICS对于不同应变程度和应变频率的信号有着准确的电容响应,且在长达3000 s的循环耐久性测试中表现十分优异。（3）通过集成柔性叉指传感器与磺化SiO2-Nafion基ipmc,得到SS-ipmc。该SS-ipmc规避了串扰问题,还能定位自身的运动位置、监控自身偏转的幅值和识别自身的偏转方向,在61.6°的ipmc偏转范围内,电容信号展现了高度线性（R2=0.99）。

关键词：离子交换聚合物-金属复合材料驱动器柔性应变传感器叉指电极自传感ipmc驱动器

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