水分子扩散阻力对IPMC致动特性的影响

　　引言

　　离子交换膜金属复合材料(ioniepolymermetalCo哪osite，IpMC)是一种新型的电激活材料[‘，2]，它以聚合物薄膜(如Nafion)为基体骨架，通过化学镀的方法将某种贵金属(如Pt)颗粒渗透并沉积在膜的表面，从而形成一种功能复合材料.IPMc具有较好的电一机械特性:施加直流电压时，镀层的表面构成一对正负极，IPMC薄膜向阳极发生弯曲变形;在正负交替电压作用下，能产生反复挠曲变形[s，4}.该材料典型优点是驱动能量小、变形幅度大、无机械传动耗损.此外，它还具有质量小、重量轻，对外界激励反应速度快，在湿度工作环境下工作等特点利用IPMC材料可以制作出具有高度可操纵性、无噪音、动作灵活的仿生机器人[s].在微机电、仿生学、医学、航天、国防工业领域具有较大的应用潜力[e].

　　在一定外加电场作用下，IPMC的电致动特性响应与很多因素有关:材料的制备方法、电极的形态、内部电流分布、离子聚物组成和内部化学键网络结构、离子水合程度和应用环境.目前的研究进展还仅限于对其中的某一个或几个方面进行独立的研究.

　　关于IPMC的研究，学者们已做了大量的工作.从研究内容来看，主要偏重于材料制作、实验分析、性能检测和定性描述.对于其电致动机理，目前普遍认为是由于聚合物薄膜在电场作用下，内部水分子的迁移运动引起结构的变形[vl.在数值模拟方面，以Tadokor。模型[s]最具代表性.他认为，由于外加电场的作用，活性阳离子沿着电流方向从阳极向阴极迁移，同时携带着水分子一起运动，迁移过程使得水分子浓度在阳极附近减少而阴极附近增加，从而改变了聚合物内部水的分布状态.正是由于沿厚度方向水分子的分布不均匀，引起了聚合物的膨胀和收缩，产生弯曲变形.经过短暂的平衡，渗透压力导致水分子的自由扩散，从而引起材料回复变形.Tadokoro通过对薄膜变形机理的研究，从金属离子受力的平衡条件出发，构造了IPMC数值计算模型.在此基础上，其他学者又做了进一步的研究，P叩ovic[例发展了一个基于有限差分法的IPMc悬臂梁模型;Toilllo]建立了一个基于伽辽金方法的有限元模型;近期Yoonlll]应用FEMLAB软件和ANSYS软件对IPMC微型内窥镜的弯曲变形进行了模拟，其最大挠度值与实验结果基本吻合.在这些数值模型中【9一“}，为了便于求解，实际计算过程中均忽略了水分子扩散阻力.本文拟在Ta-dokoro理论基础上，应用有限元法对IPMC的电致动特性进行数值模拟，分别建立控制方程中不考虑水分子扩散阻力和考虑水分子扩散力的两种计算模型，重点讨论和分析水分子扩散阻力对致动过程中各个特征物理量的影响，力求更加精确地描述IPMC弯曲行为.