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[学位]

离子聚合物-金属复合材料的大变形机理与多物理场模型研究

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Author:

朱子才 (朱子才.)

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Abstract:

离子聚合物-金属复合材料(IPMC)是一种离子型电致动聚合物,鉴于其具有柔软、质量轻且变形大的特性,使其具有重要的科学研究意义和工程应用价值。针对已有研究对IPMC材料的大变形机理研究不够,导致难以解释IPMC材料的许多复杂变形现象的问题,本文对IPMC材料的大变形机理以及多物理场模型展开深入研究。    为了深入认识IPMC材料复杂多变的变形特性,本文首先基于对制备工艺的认识,利用工艺组合制备了一系列具有代表性电极的IPMC材料,然后通过SEM观察了IPMC材料电极的结构和形貌特点,测量分析了电极构成影响IPMC材料有效弹性模量和电极导电率的规律;通过宽频介电谱仪研究了IPMC材料介电特性,间接证实了离子在离子簇之间的迁移运动是IPMC材料低频下主要弛豫机制。利用自制测试平台测量了典型IPMC材料的力电响应,分析了电极电导率、介电模量和弹性模量与大变形之间的关系,总结出电流和变形与电压之间的线性规律。测量了IPMC材料在不同含水量条件下的变形规律,结合空气中IPMC材料含水量的静动态变化特性,利用风干变形解释了其在空气中的一些变形现象。    为了探讨IPMC材料大变形工作机制,以松弛效应为突破口,论文通过对不同含水量条件下Nafion-IPMC材料的变形特性和内部水分子相态及组成的比较,以及Flemion-IPMC材料与Nafion-IPMC材料变形特性和内部水分子相态及组成的比较,提出了大变形机理。通过水分子形态演变的实验规律证实自由水是导致松弛变形的关键;比较了Flemion-IPMC材料与Nafion-IPMC材料的相似性和差异性,根据Flemion膜具有弱酸离子基团的特点对Flemion-IPMC存在缓慢的阳极变形现象提出了合理的机理解释。    在实验研究基础上,论文通过理论分析,重点研究了IPMC材料内离子与水分子的传质过程、质量分布引起的应力应变和离子簇内不同本征应力三个问题。通过比较不可逆过程热力学模型、摩擦模型和NP方程模型的异同,在充分体现传递机制和考虑实验参数的可测量性基础上,以一般NP方程为基础提出了一种改进型模型并进行了简化,重点强调了压力对流机制的影响。在改善的质量传输模型基础上,基于离子簇模型建立了IPMC材料完整的动力学模型,并结合传质理论阐述了IPMC材料传感和致动的物理机理。论文以仅考虑静水压力的基本模型进行数值分析,结果表明压力场不仅对水分布有重要影响,而且由于离子的水合效应对离子分布也有重要影响。最后论文在无量纲模型基础上通过分析静水压力、渗透压力、静电力和表面张力,以及它们在水含量减少过程中的变化规律,对IPMC材料复杂的松弛变形给出了合理的解释。    论文上述研究工作及结论对IPMC材料驱动器及传感器的设计、制作、性能控制、以及材料的改性研究具有重要的参考意义。

Keyword:

离子聚合物-金属复合材料大变形特性变形机理传质理论本征应力

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  • [ 1 ] 西安交通大学机械工程学院

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Basic Info :

Degree: 工学博士

Mentor: 陈花玲

Year: 2013

Language: Chinese

Cited Count:

WoS CC Cited Count: 0

30 Days PV: 11

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