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湿度对IPMC 材料含水量及其电致变形特性 的影响1) 2) 朱子才，陈花玲 ，罗 斌，王永泉 （西安交通大学机械工程学院，西安 710049 ） 摘要：本文通过实验研究了不同湿度条件下IPMC 材料内部含水量的变化规律及其对IPMC 电致变形特性的影 响。首先研究了不同湿度条件下IPMC 材料的平衡含水量，结果表明平衡含水量与初始含水量有关，脱湿比吸 湿过程测量的平衡含水量要高。然后，研究了一定湿度条件下，IPMC 材料通过吸湿/脱湿达到含水量平衡的质 量变化过程，实验表明其质量随时间呈指数增/减变化规律，可用扩散方程描述了含水量变化的动态过程。最后， 通过实验研究了不同含水量下的电致变形特性，结果表明，以饱和吸水为初始状态，随着含水量减少，IPMC 材料松弛变形效应减弱直至消失；阳极变形在最初阶段随着含水量减小而逐步增大，但随着含水量进一步减少， 阳极变形呈减小趋势。当环境湿度为70%RH，IPMC 材料变形过程无松弛现象，且阳极变形最大，表现出最好 的驱动性能。 关键词：离子聚合物-金属复合材料 （IPMC ）；环境湿度；含水量；电致变形 引 言 离子聚合物-金属复合材料(IPMC)是一种离子型电致动聚合物材料，通过物理或者化学方法在离子 交换膜两侧各沉积一层金属层制得。在外界1-3V 电压驱动下IPMC可以产生弯曲变形；相反若施加机械 [1,2] 变形或者载荷，IPMC电极之间可以产生电势差，所以IPMC是一种具有机电换能功能的新型智能材料 。 相比于其他智能材料来讲，IPMC的突出优点是质量轻、驱动电压低、弯曲变形大、柔韧性好、反应迅速、 [3~6] 且具有传感-致动的双向可逆功能，因此在航天航空、生物医学、仿生机械等领域 具有非常大的应用 潜力。 IPMC材料的工作过程与内部离子和水分子的迁移运动密切相关，因此其工作性能及稳定性很大程度 上受到环境湿度的影响，然而，目前很少有关空气环境尤其是湿度对IPMC材料性能影响的研究。鉴于空 气环境湿度对IPMC材料电致变形特性的影响，主要是通过影响其含水量来实现的，本文通过测量不同湿 度条件下，IPMC材料内部含水量的多少及其变化规律以及不同含水量条件下其电致变形特性，探讨IPMC 材料在空气中工作性能的优劣和稳定性。本文关于IPMC材料在不同湿度环境下的变形特性研究，对于设 计在空气中使用的IPMC驱动器的性能和稳定性具有重要实际意义。 1 IPMC 材料制备 1) 国家教育部博士点基金 （No. 20090201110037 ）资助项目 2) E-mail ：hlchen@mail.xjtu.edu.cn 1 [7] 本文采用Dupont公司的Nafion-117离子交换膜作为基体，制作了Pd 电极型IPMC材料 。首先使 用1200#砂纸对Nafion基体膜进行打磨，并用HCl和去离子水煮洗处理，清洗表面和去除内部杂质离子； 这些预处理工艺之后用一定浓度Pd(NH)Cl 盐溶液浸泡基体膜，取出后用NaBH4进行还原，基体膜内的 3 4 2 Pd离子被还原并在膜表面沉积形成电极层，这种浸泡还原镀进行了三次；然后以Pd(NH)Cl 盐和水合肼 3 4 2 为主要成分制备化学镀镀液，对浸泡还原镀后的基