离子液体型离子聚合物金属复合材料的封装及变形性能

针对水基离子聚合物金属复合材料(IPMC)在空气中性能不稳定且存在松弛变形这一问题,使用离子液体替代水作为IPMC内部溶剂,采用光固化材料对该材料进行表面封装,测试水基IPMC和离子液体型IPMC封装前后的驱动性能,对比水基IPMC和离子液体型IPMC在空气中的长期稳定性能。实验结果表明:在2V电压驱动下,离子液体型IPMC的松弛变形消失,输出力和位移虽有所减小,但该类型IPMC可以承受高的驱动电压;在8 V电压作用下,离子液体型IPMC封装后的材料变形为12mm,输出力达到0.8mN;封装后的离子液体型IPMC的整体质量基本维持不变,驱动性能基本稳定,满足在空气中长期使用的要求。     

新型智能材料微小型光学镜头致动器的设计与性能研究

为了使微小型光学镜头驱动系统满足低能耗、高稳定性以及结构简单的要求,采用新型智能材料IPMC设计了一种微小型的光学镜头致动器,并对其输出力、位移及响应速度等性能进行了研究.根据直线驱动要求确定了瓣形和环形结构;通过化学还原方法制备了IPMC材料,采用激光切割技术分别制作出5种形状的环形和瓣形致动器,并对其性能进行了测试.利用有限元软件,通过等效热模型分析了致动器的基本性能,结果表明:实验测试与理论分析结果一致,误差率在10％以内;瓣形致动器的总体位移性能比环形致动器的好;在3V驱动电压下两者的位移均大于200 μm;当内圆半径为2 mm、瓣数为8时,致动器的最大位移与响应速度均最佳.     

粘结工艺及粘结SmFe2棒材的磁性能

通过用树脂粘结法制备SmFe2合金样品,研究了粘结磁致伸缩棒材的模压成型工艺,分析了粘结SmFe2棒材的磁化过程与磁致伸缩性能.实验结果表明,所设计的粘结方案合理,所制备的粘结棒材径向磁致伸缩与轴向磁致伸缩差别很小,这说明样品内部的成分、组织均匀一致.     

粘结工艺及粘结SmFe2棒材的磁性能

通过用树脂粘结法制备SmFe2合金样品,研究了粘结磁致伸缩棒材的模压成型工艺,分析了粘结SmFe2棒材的磁化过程与磁致伸缩性能。实验结果表明,所设计的粘结方案合理,所制备的粘结棒材径向磁致伸缩与轴向磁致伸缩差别很小,这说明样品内部的成分、组织均匀一致。     

人工肌肉IPMC电致动响应特性及其模型

采用自行设计的悬臂梁装置对人工肌肉IPMC的电致动响应特性进行测试,研究在直流电压作用下悬臂梁位移与电压的关系及在方波电压作用下位移与电压频率的关系,建立IPMC材料的力学模型;提出IPMC材料悬臂梁电致动挠曲线方程的大变形解法,导出作用于IPMC悬臂梁上的等效弯矩与电压、频率的函数.测试结果表明,在电压为5 V时位移达到最大值11.1 mm;当电压的频率大于30 mHz时,随着频率的增加,悬臂梁的位移逐渐减小,且在30～100 mHz时下降迅速.模型计算结果与测试结果最大相对误差在10%以内,证实了模型的准确性.     

基于PXI虚拟仪器的IPMC输出力测试

离子聚合物金属复合物(ionic polymer metal composite,IPMC)是一种离子型的电致动聚合物,在低电压驱动下可以产生较大的位移形变,因其柔性好、响应速度快、无噪音、与人类肌肉特性相近等特点,成为仿生驱动材料的较佳选择.针对IPMC材料的输出力进行测试研究,搭建了一套基于美国国家仪器(NI)公司的面向仪器系统的PCI扩展(PCI extensions for instrumentation,PXI)虚拟仪器平台的IPMC力学测试系统,通过LABVIEW开发环境编写了IPMC力测量数据的采集与分析处理软件,通过该系统可以直观得到IPMC输出力变化规律.针对商业离子基膜和自浇铸离子基膜的IPMC进行测试对比分析,得到IPMC材料的输出力变化规律.     

考虑磁滞的铁稼磁致伸缩位移传感器输出电压模型及结构设计

基于Jiles-Atherton模型、魏德曼效应和压磁效应建立了考虑磁滞影响下磁致伸缩位移传感器的输出电压模型,计算结果与实验结果基本吻合,表明所建立的输出电压模型的正确性.对传统Fe-Ga磁致伸缩位移传感器的结构进行了改进,消除了由磁致伸缩材料的磁滞效应带来的位移迟滞,降低了剩磁和驱动脉冲电流对输出电压的影响,使电压信号的信噪比由14.7 dB提高至27.6 dB.制作了Fe-Ga磁致伸缩位移传感器样机,通过实验验证了新结构能改善传感器的线性度、重复性、迟滞性和精度.基于新的传感器结构,此研究可为磁致伸缩位移传感器的优化、生产提供理论依据和实验基础.     

电致动聚合物致动器的动态响应研究

采用电场型电致动聚合物--介电弹性体(DE)制作了一种圆形致动器,在交流电压和直流脉动电压驱动下,分别研究了电压波形、幅值和频率的位移响应情况.实验结果表明,当幅值和频率相同、波形不同时,DE薄膜的驱动位移相差较大,在方波、正弦波和三角波电压下,其驱动位移依次减小.随着频率的增高,驱动位移的递减速度依次增大.当电压波形相同时,位移随电压幅值的增加而增大,随频率的增高而减小,均呈非线性关系,并且直流脉动电压比交流电压的驱动过程稳定.对比双向预拉伸2×2、3×3、4×4倍的DE致动器电致动实验结果可知,预拉伸4×4倍的DE致动器所需的驱动电场强度比预拉伸2×2倍和3×3倍的DE致动器所需的驱动电场强度高,从变形过程的稳定性、响应速度以及稳定变形条件下DE致动器所能承受的频率来看,预拉伸4×4倍的DE致动器优于预拉伸2×2倍和3×3倍的DE致动器.     

半导体温差发电性能的实验研究

实验测试了单片半导体温差片、双片串联和双片并联温差组件的输出电性能.结果表明:随着热端和冷端的温差增大,三种情况下半导体温差片的输出电流、输出电压和输出功率均增加.两片半导体温差片串联时组件输出电压高于单片输出和两片并联时的输出电压;两片半导体温差片并联时组件输出电流高于单片输出和两片串联时的输出电流;两片半导体温差片串联时组件输出功率高于单片输出和两片并联时的输出功率,约是单片输出的2倍.采用焦距为13.1cm的菲涅尔透镜聚光,当温差片位于离菲涅尔聚光镜面约12cm时,输出电流和输出功率达到最大值.     

基于梁理论的导电聚合物驱动器等效模型及实验验证

导电聚合物因具有能耗小、质轻、柔韧性好等优异特性,在生物机器人和生物医学设备中具有广泛的应用前景。本文针对多层弯曲型聚吡咯导电聚合物驱动器搭建的实验系统,依据等效悬臂梁理论建立驱动器力学模型。测量驱动器施加（0~1v）低电压时的基体弯曲变形量,通过研究驱动器的弯曲位移与电压、力与电压的关系,建立电压与等效均布载荷的函数关系式。实验结果表明,电压与垂直方向位移成线性关系,当电压为1V时偏转位移可达到驱动器长度的一半,并且得出电压与应变的比例因子。最后,通过驱动器举起其自身重量约为5倍的重物移动2.71 mm,验证了驱动器顶端可以承受力。     

Force optimization of ionic polymer metal composite actuators by an orthogonal array method

Ionic polymer metal composites (IPMCs), a new kind of electro-active polymer, can be used for micro robotic actuators, artificial muscles and dynamic sensors. However, IPMC actuators have the major drawbacks of a low generative blocking force and dependence on a humid environment, which limit their further application. Multiple process parameters for the fabrication of IPMCs were optimized to produce a maximum blocking force; the parameters included reducing agent concentration, platinum salt concentration in the initial compositing process, and tetraethyl orthosilicate (TEOS) content. An orthogonal array method was designed and a series of fabrication experiments were carried out to identify the optimum process parameters. The results show that the platinum salt concentration in the initial compositing process plays the most significant role in improving the blocking force of IPMCs, the TEOS content plays an important role, and the reducing agent concentration has no apparent effect on the blocking force. In the optimized conditions, the IPMC actuator exhibited maximum blocking force of 50 mN, and the corresponding displacement was 14 mm. Compared with normal conditions, the blocking force improved 2.4-fold without sacrificing the displacement, and the effective air-operating life was prolonged 5.8-fold for the blocking force and 5-fold for the displacement. This study lays a solid foundation for further applications of IPMCs.     

基于IPMC驱动器的小型遥控机器鱼的研制

IPMC智能材料具有驱动电压低、响应形变高的特性.利用这种智能材料为驱动器,设计了一种小型遥控机器鱼.该机器鱼可以由红外电视遥控器遥控,通过改变加在IPMC材料上的驱动电压的幅值和频率来控制机器鱼的游动方向和游动速度.在实验过程中,分别比较了在正弦波激励和方波激励下机器鱼的游动速度的差异,同时验证了驱动信号的幅值与频率对机器鱼游动速度的影响.通过实验有效地证明了IPMC材料作为驱动器的可行性.     

离子交换膜金属复合材料的制备及其形貌表征

通过EVOH的磺化反应得到EVOH-g-SO3H,并采用溶液铸膜技术制备了EVOH-g-SO3H薄膜。经过浸渍-还原、离子交换等工艺将EVOH-g-SO3H薄膜制备成IPMC。利用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)对IPMC表面形态及横截面的形貌特征进行了表征,分析表明:经过一次浸渍-还原工艺所得到的IPMC的铂金属电极结构显示出不均匀性,电极层的厚度较小,而经过二次浸渍-还原工艺所得到的铂金属粒分布较为均匀。     

一种原子力显微镜中蠕变迟滞非线性特性补偿方案

压电陶瓷通常用于原子力显微镜(AFM)中的扫描器中,但是在无补偿开环控制中压电陶瓷在输入电压与输出位移之间表现出明显的迟滞和蠕变非线性特性,使得扫描所得图像失真.为此,针对原子力显微镜X轴的需求,采用了分步补偿的办法,先补偿蠕变特性而且可以简化迟滞补偿的算法,很大程度上减轻了图像的失真,使整个控制算法简单,无需复杂的运算,降低了对控制系统处理器的要求,降低设备成本.     

基于Levy算法的IPMC分数阶模型辨识

IPMC是一类被称为人工肌肉的电活性智能材料,在微机电系统、生物医学、仿生机构等领域都具有很好的应用前景。分数阶微积分中微分、积分的阶次可以是分数,能够更精准地描述实际系统的动态响应。为了说明分数阶模型比传统整数阶模型能够更精确的描述具有非整数阶动力学特性的IPMC驱动系统,首先根据IPMC驱动器输入信号与输出响应的实验数据得到实际频率响应伯德图。然后,结合实验数据应用Levy频域辨识算法分别建立了IPMC的整数阶模型和分数阶模型。最后,比较两类模型和实验数据的频域响应伯德图,可见分数阶模型和实验数据的伯德图拟合效果更精确,所以对于具有非整数阶动力学特性的IPMC驱动系统应该使用分数阶模型来描述和研究。     

基于悬臂共振法的IPMC杨氏模量的动力学测定方法

针对目前IPMC智能材料杨氏模量的测定存在方法单一、破坏材料本身等问题,提出了一种基于悬臂共振法的动力学测定方法.该方法通过激励装置使IPMC发生有阻尼自由衰减振动,采用激光位移传感技术记录其振动历程,然后对采集到的信号进行分析处理,从而得到其基频,最后采用悬臂共振法建立IPMC的横向振动方程,引入边界条件即可计算出其杨氏模量.这种方法与目前存在的拉伸法和弯曲法相比,具有测试方便简单、对材料本身不产生破坏、测定结果精度高等优点.     

IPMC的制备研究

研究了IPMC的制备过程.制备主要分为前期预处理、主化学镀反应和次化学镀反应.在进行一次主化学镀反应之后,对比了不同次数的次化学镀反应所制备的样品的性能.设计了用于驱动IPMC的信号发生器,建立了基于PC机和数据采集卡的测试平台.对制备出来的样品进行了致动特性的测试,测试了激励信号的频率、幅值、以及镀膜厚度对致动特性的影响,为人工肌肉的控制设计提供了依据.实验结果表明:镀膜的电阻和激励信号的频率越小,摆动幅度越大;激励信号的幅值越大,摆动幅度越大;镀层厚度增大有利于电阻的降低,但是由于表面硬度的增加,镀膜并不能太厚;镀膜的打磨导致了电极的不均匀,增大了电阻,降低了材料活性.     

PTCR耐电压自动测试系统

根据PTCR生产中耐电压测试要求，研制了计算机控制的PTCR耐电压自动测试系统，采用PC机、串行通信接口、并行打印接口、智能化仪表及各种外围接口电路，实现了PTCR耐电压性能的在线测试，系统具有耐电压测试、限值测量、自动分选等多种功能，提高了测试效率。