离子聚合物-金属复合材料
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对策：
（1）改变平衡离子
31
（2）再铸IPMC
32
33
3. IPMC的功耗问题：
方波驱动形变大但功耗较高。
对策：
正弦波驱动技术
34
方波
方波 正弦波
正弦波
方波 正弦波
35
4. IPMC的湿度敏感问题：
干燥的条件下, IPMC 只能响应几分钟。
对策：
可连续工作4 个月
(1) 采用硅涂层技术
耐紫外线辐射
Seminar 9、关爱农民健康，实施免费体检; 10、参加健康体检，爱护身体健康;
11、 树 公 共 卫 生爱 心、热 心、细 心、耐 心的服 务理念 ， 12、 保 护 身体健康， 促 进 经 济 发 展; 13、 公 共 卫 生 服务 时时处 处，保 障健康 惠及家 家户户 。
14、 防 患 未 然 ，原 人人健 康; 15、 关 心 老 人和困 难群体 的身心 健康; 16、 加 强 健 康 宣 教，提 高农民 预防保 健意识 ; 17、 送 健 康 到 家，结 关爱奇 葩。 18、 感 受 社 区 服务 ，享受 健康无 忧。 19、 关 爱 妇 女和儿 童的身 体健康 ;
图五 使用IPMC作为可操控的内视镜导管头
Gousse AE, Madjar S, Lambert MM and Fishman IJ, J. Urol. 166, 1755(2001). 24
五、IPMC研究中的几个问题：
1. IPMC的制备工艺问题： 复杂 对策：
（1）工艺参数的优化：
25
26
Solvay
Sybron
Asahi Glass
DuPont Tokuyama
Asahi Chemicals Ionics W L Gore
用于IPMC制备的典型商业材料：
NafionTM from DuPont
含氟碳官能团的阳离子交换膜
FlemionTM or SelemionTM from Asahi Glass
1. IPMC的制备工艺问题：
（2）结构的优化： 憎水性的碳氟高分子主链和亲水性的烷基磺酸根侧链组成
27来自百度文库
28
1. IPMC的制备工艺问题：
（3）制备方法的创新：
29
30
2. IPMC的驱动力问题：
提供的驱动力偏低:
在低电压的刺激下, IPMC 能产生明显的弯曲 位移,但所产生的驱动力 却偏低。
对于心律不齐等心脏疾病，要求植入微器件柔软、电力充足，不引起不良反应 柔软的IPMC，可以缝合在心脏表面，不接触血管血液，可避免血栓及并发症。
20
老鼠
21
四、IPMC的应用前景实例：
2、人造手指、关节：
22
四、IPMC的应用前景实例：
3.仿生眼及视力矫正
23
四、IPMC的应用前景实例：
4.内视镜导管头：
[5] Jason W. Paquette et al. /Sensors and Actuators 118 (2005) 135–143
[6] E.T. Enikov, G.S. Seo / Sensors and Actuators A 122 (2005) 264–272
[7]Y. Toi, S.-S. Kang / Computers and Structures ARTICLE IN PRESS
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。
对策：
（1）降低电压 （2）采用金电极
38
7. IPMC的持续时间问题：
直流电压下, IPMC 在最大位移处保持时间短。
而且一旦撤消电场, IPMC 向相反的方向产生过位移,出现永久形变。
对策：
这个问题还没有解决,并且阻碍了IPMC 的某些应用。
39
K. Jung et al. / Sensors and Actuators A 107 (2003) 183–192
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
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。
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
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
17
四、IPMC的应用前景实例：
3.泳动微机器人推进器：
无噪声推动，可以躲避声纳的探测
18
四、IPMC的应用前景实例：
4.微型蠕动泵：
5.其它执行器及传感器：
如计量阀、滑行结构、微飞行器件、隔膜泵、微电机传感器等。
19
四、IPMC的应用前景实例：
（二）医学应用：人体内辅助驱动材料
1、人造心脏辅助肌肉：
（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）
6
IPMC 复合膜的制备实例： 5 cm × 5 cm of NafionTM-117
1、初始复合过程（Initial compositing process）
HCl 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;
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）
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： 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
公共 卫生服 务口号 1、 创居 民就医 暖心、 舒心、 放心、 欢心的 医疗氛 围。 2、 雪 中 送 炭 ，祝 家家平 安。 3、 健 康 、幸 福、欢 乐、和 谐是我 们的追 求， 4、 敬 业 、 诚 信、 关爱、 助人是 我们的 理念， 5、 宣 传 、 预防、保健、医疗是 我 们 的 职 守 ， 6、 加 强 公 共 卫生工 作，全 面实施 农民健 康工程 ; 7、 让 人 人 享 受 公 共 卫生服 务的阳 光。 8、 公 共 卫 生以人 为本， 关爱健 康以情 感人。
具有良好的弹性
工作温度范围较大
(2)提高金属致密层的均匀性
(3)采用高沸点极性溶剂
36
5. IPMC的超低温问题：
机理尚不清楚 。
37 J.W. Paquette et al. / Sensors and Actuators A 118 (2005) 135–143
6. IPMC的电解问题：
驱动电压超过1.03V ,将产生电解, 相应产生退化、热量、释放气体等激活反应。
[2] K. Jung et al. / Sensors and Actuators A 107 (2003) 183–192
[3] K.J.Kim et al. / Polymer 43(2002)797-802
[4] M. Shahinpoor et al. /Sensors and actuators A 96(2002)125-132
AciplexTM from Asahi Chemical
NeoseptaTM from Tokuyama
4
5
二、IPMC的制备：
2. IPMC的制备工艺：
1、初始复合过程（Initial compositing process）
粗化、酸洗 离子交换
金属盐类的溶液 （如Pt(NH3)4Cl2）
还原
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。
总结：
离子聚合物金属复合材料( ionic polymer metal composite, IPMC): 是一种电致动的柔性智能高分子材料，在软性机械致动器、 应力传感器、人工肌肉、人体内的驱动材料等方面有着广 阔的应用前景,也面临着不断的挑战。
40
参考文献：
[1]M. Shahinpoor et al. / Electrochimica Acta 48 (2003) 2343/2353
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
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
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 NH2OH-
1) 用砂纸轻轻打磨膜的表面, 用超纯水冲洗多次; 2) 在HCl (2 mol/L ) 中煮沸30 min, 取出用超纯水冲洗; 3) 在超纯水中煮沸30min。 4) 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,
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.
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，
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，
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 IPMC最早发展的应用是燃料电池的电极 1992年发现IPMC具有电致动的特殊性质：
20、 加 强 和 改 善农 村公共 卫生， 促进社 会与自 然和谐 发展; 21、 居 民 健 康大 管 家 ， 真 诚 服务为 大家。 22、 建 立 健 全公 共卫生 服务网 络，有 效防治
I
离子聚合物-金属复合材料
（ Ionic polymer-metal composites）
学生： 肖通虎
（1）改变平衡离子
31
（2）再铸IPMC
32
33
3. IPMC的功耗问题：
方波驱动形变大但功耗较高。
对策：
正弦波驱动技术
34
方波
方波 正弦波
正弦波
方波 正弦波
35
4. IPMC的湿度敏感问题：
干燥的条件下, IPMC 只能响应几分钟。
对策：
可连续工作4 个月
(1) 采用硅涂层技术
耐紫外线辐射
Seminar 9、关爱农民健康，实施免费体检; 10、参加健康体检，爱护身体健康;
11、 树 公 共 卫 生爱 心、热 心、细 心、耐 心的服 务理念 ， 12、 保 护 身体健康， 促 进 经 济 发 展; 13、 公 共 卫 生 服务 时时处 处，保 障健康 惠及家 家户户 。
14、 防 患 未 然 ，原 人人健 康; 15、 关 心 老 人和困 难群体 的身心 健康; 16、 加 强 健 康 宣 教，提 高农民 预防保 健意识 ; 17、 送 健 康 到 家，结 关爱奇 葩。 18、 感 受 社 区 服务 ，享受 健康无 忧。 19、 关 爱 妇 女和儿 童的身 体健康 ;
图五 使用IPMC作为可操控的内视镜导管头
Gousse AE, Madjar S, Lambert MM and Fishman IJ, J. Urol. 166, 1755(2001). 24
五、IPMC研究中的几个问题：
1. IPMC的制备工艺问题： 复杂 对策：
（1）工艺参数的优化：
25
26
Solvay
Sybron
Asahi Glass
DuPont Tokuyama
Asahi Chemicals Ionics W L Gore
用于IPMC制备的典型商业材料：
NafionTM from DuPont
含氟碳官能团的阳离子交换膜
FlemionTM or SelemionTM from Asahi Glass
1. IPMC的制备工艺问题：
（2）结构的优化： 憎水性的碳氟高分子主链和亲水性的烷基磺酸根侧链组成
27来自百度文库
28
1. IPMC的制备工艺问题：
（3）制备方法的创新：
29
30
2. IPMC的驱动力问题：
提供的驱动力偏低:
在低电压的刺激下, IPMC 能产生明显的弯曲 位移,但所产生的驱动力 却偏低。
对于心律不齐等心脏疾病，要求植入微器件柔软、电力充足，不引起不良反应 柔软的IPMC，可以缝合在心脏表面，不接触血管血液，可避免血栓及并发症。
20
老鼠
21
四、IPMC的应用前景实例：
2、人造手指、关节：
22
四、IPMC的应用前景实例：
3.仿生眼及视力矫正
23
四、IPMC的应用前景实例：
4.内视镜导管头：
[5] Jason W. Paquette et al. /Sensors and Actuators 118 (2005) 135–143
[6] E.T. Enikov, G.S. Seo / Sensors and Actuators A 122 (2005) 264–272
[7]Y. Toi, S.-S. Kang / Computers and Structures ARTICLE IN PRESS
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。
对策：
（1）降低电压 （2）采用金电极
38
7. IPMC的持续时间问题：
直流电压下, IPMC 在最大位移处保持时间短。
而且一旦撤消电场, IPMC 向相反的方向产生过位移,出现永久形变。
对策：
这个问题还没有解决,并且阻碍了IPMC 的某些应用。
39
K. Jung et al. / Sensors and Actuators A 107 (2003) 183–192
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
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。
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
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
17
四、IPMC的应用前景实例：
3.泳动微机器人推进器：
无噪声推动，可以躲避声纳的探测
18
四、IPMC的应用前景实例：
4.微型蠕动泵：
5.其它执行器及传感器：
如计量阀、滑行结构、微飞行器件、隔膜泵、微电机传感器等。
19
四、IPMC的应用前景实例：
（二）医学应用：人体内辅助驱动材料
1、人造心脏辅助肌肉：
（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）
6
IPMC 复合膜的制备实例： 5 cm × 5 cm of NafionTM-117
1、初始复合过程（Initial compositing process）
HCl 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;
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）
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： 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
公共 卫生服 务口号 1、 创居 民就医 暖心、 舒心、 放心、 欢心的 医疗氛 围。 2、 雪 中 送 炭 ，祝 家家平 安。 3、 健 康 、幸 福、欢 乐、和 谐是我 们的追 求， 4、 敬 业 、 诚 信、 关爱、 助人是 我们的 理念， 5、 宣 传 、 预防、保健、医疗是 我 们 的 职 守 ， 6、 加 强 公 共 卫生工 作，全 面实施 农民健 康工程 ; 7、 让 人 人 享 受 公 共 卫生服 务的阳 光。 8、 公 共 卫 生以人 为本， 关爱健 康以情 感人。
具有良好的弹性
工作温度范围较大
(2)提高金属致密层的均匀性
(3)采用高沸点极性溶剂
36
5. IPMC的超低温问题：
机理尚不清楚 。
37 J.W. Paquette et al. / Sensors and Actuators A 118 (2005) 135–143
6. IPMC的电解问题：
驱动电压超过1.03V ,将产生电解, 相应产生退化、热量、释放气体等激活反应。
[2] K. Jung et al. / Sensors and Actuators A 107 (2003) 183–192
[3] K.J.Kim et al. / Polymer 43(2002)797-802
[4] M. Shahinpoor et al. /Sensors and actuators A 96(2002)125-132
AciplexTM from Asahi Chemical
NeoseptaTM from Tokuyama
4
5
二、IPMC的制备：
2. IPMC的制备工艺：
1、初始复合过程（Initial compositing process）
粗化、酸洗 离子交换
金属盐类的溶液 （如Pt(NH3)4Cl2）
还原
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。
总结：
离子聚合物金属复合材料( ionic polymer metal composite, IPMC): 是一种电致动的柔性智能高分子材料，在软性机械致动器、 应力传感器、人工肌肉、人体内的驱动材料等方面有着广 阔的应用前景,也面临着不断的挑战。
40
参考文献：
[1]M. Shahinpoor et al. / Electrochimica Acta 48 (2003) 2343/2353
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
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
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 NH2OH-
1) 用砂纸轻轻打磨膜的表面, 用超纯水冲洗多次; 2) 在HCl (2 mol/L ) 中煮沸30 min, 取出用超纯水冲洗; 3) 在超纯水中煮沸30min。 4) 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,
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.
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，
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，
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 IPMC最早发展的应用是燃料电池的电极 1992年发现IPMC具有电致动的特殊性质：
20、 加 强 和 改 善农 村公共 卫生， 促进社 会与自 然和谐 发展; 21、 居 民 健 康大 管 家 ， 真 诚 服务为 大家。 22、 建 立 健 全公 共卫生 服务网 络，有 效防治
I
离子聚合物-金属复合材料
（ Ionic polymer-metal composites）
学生： 肖通虎