离子聚合物-金属复合材料.
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NafionTM from DuPont
含氟碳官能团的阳离子交换膜
FlemionTM or SelemionTM from Asahi Glass AciplexTM from Asahi Chemical
NeoseptaT、IPMC的制备：
2. IPMC的制备工艺：
6
IPMC 复合膜的制备实例：
1) 2) 3) 4)
5 cm × 5 cm of NafionTM-117
1、初始复合过程（Initial compositing process）
用砂纸轻轻打磨膜的表面, 用超纯水冲洗多次; 在HCl (2 mol/L ) 中煮沸30 min, 取出用超纯水冲洗; 在超纯水中煮沸30min。 将处理后的Nafion膜浸入铂盐[Pt(NH3)6]Cl4(0.01mol/L) 的水溶液中, 陈化12 h,使[Pt(NH3)6]4+ 渗入到Nafion 膜内部, 5) 取出放入40℃水浴的反应器中, 加入5% LiBH4水溶液还原出Pt, 在此过程中, 逐渐升高水浴温度至60℃, 并搅拌1.5h;
2、表面电极化过程（Surface electroding process）
(i) 准备 240 ml ([Pt(NH3)4]Cl2 or [Pt(NH3)6]Cl4) 含120 mg Pt 的水溶液加入 5 ml 5% 氨水（质量百分数) 调节PH值 (ii) 准备5% NH2OH-HCl 水溶液和20%NH2NH2 溶液. (iii) 膜浸入40℃恒温含Pt溶液中，搅拌. 每隔30min 往溶液中加入6ml NH2OHHCl 和3ml NH2NH2 溶液(2∶1) , 并逐步升高温度到60℃, 反应 4 h.至溶液中 无[P t (NH3) 6 ]4+ 离子存在;
Seminar I
离子聚合物-金属复合材料
（ Ionic polymer-metal composites）
学生： 肖通虎 导师： 邓麦村 研究员 曹义鸣 研究员
环境工程研究室新型膜分离技术组 2005/11
1
离子聚合物-金属复合材料（IPMC）
主要内容
一、IPMC的简介： 二、IPMC的制备： 三、IPMC的特性：
3
二、IPMC的制备：
1.离子聚合物材料的选择: 成膜性、膜强度、抗化学处理等
世界主要的商业离子交换材料的制造商：
Aqualitics Asahi Glass Asahi Chemicals Solvay DuPont Ionics Sybron Tokuyama W L Gore
用于IPMC制备的典型商业材料：
12
三、IPMC的特性：
4.与形状记忆金属、电陶瓷特性比较：
13
三、IPMC的特性： (二) 应力传感特性
1.准静态传感：
14
三、IPMC的特性：
2.动态传感：
15
四、IPMC的应用前景实例：
（一）软性机械致动及传感应用
1.末端夹持器:
可制作微型低质量机器人手臂末端夹持器。该夹持器安装在直径为5mm 的石墨/ 环氧树脂复 合材料棒上面,利用频率为0.1Hz的5 伏方波信号驱动,可以实现打开夹持器手指、将夹持器放 置于待收集物体的附近、闭合夹持器、随手臂举起物体等一系列动作。夹持器能举起岩石,意 味着在未来的行星探索中可利用夹持器灵活多样的功能,来完成行星采样收集任务。
16
四、IPMC的应用前景实例：
2.刮尘器：
通过从海盗宇宙探测器和火星探 险器任务中所获取的教训,研究人 员了解到在火星上执行任务的硬件 装置表面很容易积上灰尘。积累的 灰尘是妨碍光学装置长期工作的关 键性问题,并且降低了太阳能电池 产生功率的效率。 使用了类似于汽车挡风玻璃刮雨器 的刮尘器。与常规的致动器相比, IPMC 具有能制成简单、轻质、低 功率刮擦机构的理想特性。尤其是 当给定大约0.3Hz 的激励信号时, IPMC 能产生大于90 度的弯曲,其弯 曲方向取决于所施加信号的极性。
IPMC最早发展的应用是燃料电池的电极
一般由阳离子交换膜(如Nafion膜) 和贵金属如Pt等通过化学镀的方法复合而成，
1992年发现IPMC具有电致动的特殊性质：
日本的Oguro 美国的Sadeghipour Mohsen Shahinpoor
中科院合肥智能机械研究所 广东工业大学自动化研究所 武汉理工大学光纤传感技术研究中心
7
二、IPMC的制备：
3. IPMC的典型结构：
A 表面结构：
8
B 截面结构：
9
三、IPMC的特性： (一) 电致动特性
1.直流电压下的响应特性：
1.向阳极弯曲
2. 弯曲程度（位移） 随电压增大而增大， 直至饱和状态。
10
三、IPMC的特性：
2.交流电压下的响应特性：
1. 薄膜产生摆动弯曲(位移) 2. 位移取决于电压幅值和频率
NASA/JPL（美国宇航局喷气推进实验室）reported that the actuation properties of IPMC muscles in a harsh space environment such as 1 Torr of pressure and −140 ◦C temperature are noticeable for space applications.
1、初始复合过程（Initial compositing process）
粗化、酸洗
金属盐类的溶液 （如Pt(NH3)4Cl2）
离子交换
还原
-
（如LiBH4、NaBH4）
LiBH4+4[Pt(NH3)4] 2+ +8OH →4Pt0+16NH3+LiBO2+6H2O
2、表面电极化过程（Surface electroding process）
a.通常在低频时产生较大的
位移,如果频率上升到几十 HZ时,将不产生位移。
b.不同频率下,弯曲位移达到
饱和时的驱动电压值不同, 在频率较高时,电压值较小。
11
三、IPMC的特性：
3. 电致动机理：
可以从膜内部平衡离子的迁移来考虑
a.水合离子
b.膜的厚度
c.外加电场强弱
变化频率
膜内电阻、 微观电荷密度变化、 聚集层内部电荷的平衡、 离子迁移速率
四、IPMC的应用前景实例：
五、IPMC研究中的几个问题：
2
一、离子聚合物-金属复合材料（IPMC）简介
离子聚合物金属复合材料( ionic polymer metal composite, IPMC)：
是一种电致动的智能高分子材料，
在外加较低的电压能够产生较大的形变和张力。 1939年 IPMC作为电极材料就开始被研究 1960年代，Dow Chemical
含氟碳官能团的阳离子交换膜
FlemionTM or SelemionTM from Asahi Glass AciplexTM from Asahi Chemical
NeoseptaT、IPMC的制备：
2. IPMC的制备工艺：
6
IPMC 复合膜的制备实例：
1) 2) 3) 4)
5 cm × 5 cm of NafionTM-117
1、初始复合过程（Initial compositing process）
用砂纸轻轻打磨膜的表面, 用超纯水冲洗多次; 在HCl (2 mol/L ) 中煮沸30 min, 取出用超纯水冲洗; 在超纯水中煮沸30min。 将处理后的Nafion膜浸入铂盐[Pt(NH3)6]Cl4(0.01mol/L) 的水溶液中, 陈化12 h,使[Pt(NH3)6]4+ 渗入到Nafion 膜内部, 5) 取出放入40℃水浴的反应器中, 加入5% LiBH4水溶液还原出Pt, 在此过程中, 逐渐升高水浴温度至60℃, 并搅拌1.5h;
2、表面电极化过程（Surface electroding process）
(i) 准备 240 ml ([Pt(NH3)4]Cl2 or [Pt(NH3)6]Cl4) 含120 mg Pt 的水溶液加入 5 ml 5% 氨水（质量百分数) 调节PH值 (ii) 准备5% NH2OH-HCl 水溶液和20%NH2NH2 溶液. (iii) 膜浸入40℃恒温含Pt溶液中，搅拌. 每隔30min 往溶液中加入6ml NH2OHHCl 和3ml NH2NH2 溶液(2∶1) , 并逐步升高温度到60℃, 反应 4 h.至溶液中 无[P t (NH3) 6 ]4+ 离子存在;
Seminar I
离子聚合物-金属复合材料
（ Ionic polymer-metal composites）
学生： 肖通虎 导师： 邓麦村 研究员 曹义鸣 研究员
环境工程研究室新型膜分离技术组 2005/11
1
离子聚合物-金属复合材料（IPMC）
主要内容
一、IPMC的简介： 二、IPMC的制备： 三、IPMC的特性：
3
二、IPMC的制备：
1.离子聚合物材料的选择: 成膜性、膜强度、抗化学处理等
世界主要的商业离子交换材料的制造商：
Aqualitics Asahi Glass Asahi Chemicals Solvay DuPont Ionics Sybron Tokuyama W L Gore
用于IPMC制备的典型商业材料：
12
三、IPMC的特性：
4.与形状记忆金属、电陶瓷特性比较：
13
三、IPMC的特性： (二) 应力传感特性
1.准静态传感：
14
三、IPMC的特性：
2.动态传感：
15
四、IPMC的应用前景实例：
（一）软性机械致动及传感应用
1.末端夹持器:
可制作微型低质量机器人手臂末端夹持器。该夹持器安装在直径为5mm 的石墨/ 环氧树脂复 合材料棒上面,利用频率为0.1Hz的5 伏方波信号驱动,可以实现打开夹持器手指、将夹持器放 置于待收集物体的附近、闭合夹持器、随手臂举起物体等一系列动作。夹持器能举起岩石,意 味着在未来的行星探索中可利用夹持器灵活多样的功能,来完成行星采样收集任务。
16
四、IPMC的应用前景实例：
2.刮尘器：
通过从海盗宇宙探测器和火星探 险器任务中所获取的教训,研究人 员了解到在火星上执行任务的硬件 装置表面很容易积上灰尘。积累的 灰尘是妨碍光学装置长期工作的关 键性问题,并且降低了太阳能电池 产生功率的效率。 使用了类似于汽车挡风玻璃刮雨器 的刮尘器。与常规的致动器相比, IPMC 具有能制成简单、轻质、低 功率刮擦机构的理想特性。尤其是 当给定大约0.3Hz 的激励信号时, IPMC 能产生大于90 度的弯曲,其弯 曲方向取决于所施加信号的极性。
IPMC最早发展的应用是燃料电池的电极
一般由阳离子交换膜(如Nafion膜) 和贵金属如Pt等通过化学镀的方法复合而成，
1992年发现IPMC具有电致动的特殊性质：
日本的Oguro 美国的Sadeghipour Mohsen Shahinpoor
中科院合肥智能机械研究所 广东工业大学自动化研究所 武汉理工大学光纤传感技术研究中心
7
二、IPMC的制备：
3. IPMC的典型结构：
A 表面结构：
8
B 截面结构：
9
三、IPMC的特性： (一) 电致动特性
1.直流电压下的响应特性：
1.向阳极弯曲
2. 弯曲程度（位移） 随电压增大而增大， 直至饱和状态。
10
三、IPMC的特性：
2.交流电压下的响应特性：
1. 薄膜产生摆动弯曲(位移) 2. 位移取决于电压幅值和频率
NASA/JPL（美国宇航局喷气推进实验室）reported that the actuation properties of IPMC muscles in a harsh space environment such as 1 Torr of pressure and −140 ◦C temperature are noticeable for space applications.
1、初始复合过程（Initial compositing process）
粗化、酸洗
金属盐类的溶液 （如Pt(NH3)4Cl2）
离子交换
还原
-
（如LiBH4、NaBH4）
LiBH4+4[Pt(NH3)4] 2+ +8OH →4Pt0+16NH3+LiBO2+6H2O
2、表面电极化过程（Surface electroding process）
a.通常在低频时产生较大的
位移,如果频率上升到几十 HZ时,将不产生位移。
b.不同频率下,弯曲位移达到
饱和时的驱动电压值不同, 在频率较高时,电压值较小。
11
三、IPMC的特性：
3. 电致动机理：
可以从膜内部平衡离子的迁移来考虑
a.水合离子
b.膜的厚度
c.外加电场强弱
变化频率
膜内电阻、 微观电荷密度变化、 聚集层内部电荷的平衡、 离子迁移速率
四、IPMC的应用前景实例：
五、IPMC研究中的几个问题：
2
一、离子聚合物-金属复合材料（IPMC）简介
离子聚合物金属复合材料( ionic polymer metal composite, IPMC)：
是一种电致动的智能高分子材料，
在外加较低的电压能够产生较大的形变和张力。 1939年 IPMC作为电极材料就开始被研究 1960年代，Dow Chemical