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
NeoseptaTM from Tokuyama
4
5
二、IPMC的制备：
2. IPMC的制备工艺：
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。
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;
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;
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
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：
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。
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：
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
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）
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.
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
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
含氟碳官能团的阳离子交换膜
FlemionTM or SelemionTM from Asahi Glass AciplexTM from Asahi Chemical
NeoseptaTM from Tokuyama
4
5
二、IPMC的制备：
2. IPMC的制备工艺：
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。
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;
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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;
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
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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：
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。
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：
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
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）
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.
四、IPMC的应用前景实例：
五、IPMC研究中的几个问题：
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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
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二、IPMC的制备：
3. IPMC的典型结构：
A 表面结构：
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B 截面结构：
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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