通過非對稱電極實現IPMC單向彎曲

王茂林，于 敏，何青松，劉志剛

通過非對稱電極實現IPMC單向彎曲

王茂林1，2，于 敏1，何青松1，劉志剛1，2

（1．南京航空航天大學仿生結構與材料防護研究所，南京200016；2．南京航空航天大學材料科學與技術學院，南京200016）

針對常規對稱電極的離子聚合物?金屬復合材料（IPMC）在交流信號的作用下僅能夠產生往復擺動這種單一運動形式對其開發利用的限制，通過在傳統IPMC鉑電極表面的一側鍍銅制備出非對稱電極IPMC，實現了IPMC的單向彎曲。利用掃描電鏡對樣品鉑電極層表面鍍銅的厚度觀察，結果顯示在IPMC電極一側分別電鍍1? 01 μm、2? 59 μm、3? 80 μm銅層；通過激光位移傳感器對樣品末端的位移進行測試，結果表明，在正弦電壓信號的激勵下，非對稱電極的IPMC有單向彎曲的趨勢，當鍍銅層厚度達到3? 80 μm，即銅層厚度與鉑層厚度之比達到2? 06時，IPMC正向最大位移與負向最大位移相差5倍，單向彎曲的趨勢明顯，且傾向于向更厚的鉑銅復合鍍層方向彎曲。

IPMC；柔性材料；非對稱電極；單向彎曲

1 引言

電活性聚合物具有特殊的機電耦合特性，在電場刺激下能夠產生一定的變形，離子聚合物?金屬復合材料（Ionic Polymer?Metal Composites，IPMC）是一種新型的離子型電活性聚合物，由中間的離子交換膜和兩側的金屬層構成，具有類似三明治的結構［1］。與傳統的電活性材料相比，IPMC具有驅動電壓低、變形相對較大、質量輕以及反應迅速等優點，因此越來越引起研究者的關注［1?2］。其致動機理主要是：在交流電場的作用下，IPMC基膜內可移動水合陽離子由陽極向陰極移動，導致陰極的水合陽離子增多，陽極的水合陽離子減少，宏觀上表現為陽極收縮，陰極膨脹，因此IPMC向陽極彎曲［3］。

根據IPMC的電活性特性，研究者將IPMC投入更多的工業及其他方面應用。NASA對IPMC的應用做了諸多探索，利用IPMC材料在交流電場中產生往復擺動的特點，制備了應用于太空探測器相機鏡頭除塵的除塵裝置［3］。良好的柔軟性和收縮性使得IPMC在仿生機器人方面也有應用，如Guo等研制了一系列微型水下機器人，可以實現在水下行走、旋轉、游行、漂浮等動作［4］。Shahinpoor等利用IPMC制備四足抓取器，在0? 1 Hz、5 V的驅動電壓下能抓起約10? 3 g重量的小石子，這種抓取器可適用于更惡劣的低溫工作環境［5］。此外，將IPMC應用于空間非合作目標衛星的在軌柔性捕獲有望降低因采用傳統對接機構、機械臂等捕獲操作機構帶來的控制技術難度和發射重量成本，但這種柔性捕獲技術要求IPMC具有更多的運動形式和控制靈活性［6?8］。而常規對稱電極的IPMC在交流信號的作用下僅產生往復擺動［1］，運動控制單一，不能滿足在軌柔性捕獲技術的要求。因此，為實現IPMC更多運動形式的控制，本文提出一種實現IPMC的單向彎曲的方法：通過在傳統IPMC表面鉑電極單側貼覆膠帶，單側鍍銅制備出非對稱電極的IPMC，實現IPMC在正弦電壓信號下的單向彎曲。

2 實驗

2? 1 非對稱電極IPMC的制備

2? 1? 1 鉑電極的制備

IPMC由位于中間的離子交換膜和兩側的金屬電極層構成，實驗使用美國DuPont公司生產的商業Nafion?117膜作為離子交換膜，厚度為0? 2 mm；采用鉑作為IPMC的電極，通過化學鍍方法在Nafion膜表面沉積一層鉑電極。

IPMC鉑電極的制備過程如下：1）膜的表面粗化：裁剪適當大小的Nafion基膜，用手工打磨法正反兩面分別打磨15 min，其目的是增加電極和基底膜的接觸面積，便于Pt顆粒的沉積；2）膜的清洗：將打磨后的基底膜先超聲清洗30 min，接著用5%的鹽酸煮30 min，除去膜表面的雜質，再用去離子水煮30 min，除去殘留的鹽酸；3）離子吸附：將膜置于Pt濃度為3? 5 mg·mL－1的［Pt（NH3）4］Cl2溶液中浸泡14 h，完成離子吸附；4）主化學鍍：采用NaBH4作為還原劑進行初始化學鍍，將鉑復合陽離子在Nafion膜表面還原生成鉑電極層，反應溫度為42℃到62℃；5）次化學鍍：為提高表面質量，需進行二次化學鍍，將膜浸泡在［Pt（NH3）4］Cl2溶液中，采用NH2OH·HCl（1? 5 wt%）和N2H4·1? 5H2O（20 wt%）作為還原劑進行二次化學鍍，得到IPMC試樣；6）離子交換：水煮30 min除去殘留的HCl，將化學鍍后的IPMC在LiCl溶液中浸泡兩天完成離子交換，得到兩側鍍有鉑電極的IPMC。

2? 1? 2 鉑電極表面的單側鍍銅

在傳統IPMC鉑電極表面單側鍍銅完成非對稱電極IPMC的制備。為了實現IPMC單側鍍銅，實驗采用掩膜法［9?10］對一側的電極進行掩蓋，在另外一側實現單側鍍銅。采用電鍍法［11?13］在IPMC鉑電極表面單側鍍銅，由于外加電流的作用，只有導電的鉑電極附近有電子的供給，燒杯中其他位置沒有電子的供給，因此電鍍法只在鉑電極表面附近發生銅離子的還原反應，也只在鉑電極表面沉積銅層，且電化學法反應時間短，鍍層厚度容易控制，便于進行對比實驗。

具體實驗過程如下：先將表面鍍鉑的IPMC裁剪為25 mm×5 mm條狀，在2%的銅離子溶液中浸泡2 h進行離子吸附；吸附后取出，并在IPMC鉑電極一側貼覆膠帶掩蓋，將貼好膠帶的IPMC懸掛在2%的銅離子溶液中作陰極，陽極材料選用銅，施加0? 3 V的直流電壓，兩電極之間的距離為1 cm，分別通電0 min、2 min、4 min、6 min，從而在IPMC鉑電極表面一側電鍍不同厚度的銅；最后取下膠帶，用去離子水沖洗后，保存在LiCl溶液中備用。最終得到非對稱電極的IPMC。2? 2 性能測試

通過場發射掃描電子顯微鏡（SEM，ZEISS SIGMA，德國）觀察IPMC電極的厚度；如圖1所示，通過激光位移傳感器（LK?80、KEYENCE，中國）采集IPMC的位移，用來表征IPMC的彎曲性能的變化，測試環境為空氣中、20℃、相對濕度為45%，測試電壓為正弦交流電壓（2? 5 V，0? 1 Hz）。

3 實驗結果與分析

3? 1 實驗結果

常規兩側鍍鉑的1＃IPMC試樣，單側鍍不同厚度銅電極的2＃、3＃和4＃IPMC試樣，四種試樣單側鍍銅的時間分別為0 min、2 min、4 min和6 min，如圖2所示。4種試樣的大小均為25 mm ×5 mm。

在掃描電鏡（SEM）下對4種試樣進行了觀察。如圖3所示，電鍍0 min的1＃試樣的鉑層厚度為2? 28 μm，銅層厚度為0 μm；電鍍2 min、4 min、6 min的2＃、3＃和4＃IPMC試樣銅層的厚度分別為1? 01 μm、2? 59 μm、3? 80 μm。可以看出隨著電鍍時間的增加，電極厚度有也相應的增加。

對IPMC進行交流電壓下的彎曲性能測試，激勵電壓為正弦交流電壓2? 5 V，頻率為0? 1 Hz，4種IPMC試樣的測試結果如圖5所示。

從測試結果圖4可以看出，常規兩側鍍鉑的1＃IPMC試樣在交流電壓的驅動下，正向位移與負向位移的大小基本一致，沒有單向彎曲的趨勢；單側鍍不同厚度銅的2＃、3＃和4＃IPMC試樣的位移情況發生了明顯的變化，如圖5所示，2＃、3＃和4＃試樣的正向位移明顯大于1＃試樣的正向位移，且隨著銅層厚度的增加，位移增大的幅度越大；2＃、3＃和4＃試樣的負向位移相比1＃試樣負向位移均有明顯的減小，有單向彎曲的趨勢。此外，對圖3和圖4中實驗結果進行整理，分別計算出銅層與鉑層厚度之比，以及對應樣品的正向與負向最大位移之比，得到IPMC彎曲不對稱性與鍍層厚度的關系，如圖5所示，隨著銅層與鉑層比值的增加，IPMC正向位移與負向位移比值不斷增大，即彎曲不對稱性越大，當銅層與鉑層比值為2? 06時，引起IPMC彎曲的不對稱最明顯，正向位移與負向位移比值達到5? 05，趨于單向彎曲。

3? 2 分析

與常規兩側鍍鉑的IPMC相比，單側鍍銅后引起了位移不對稱變化，IPMC試樣向鉑?銅復合電極層方向彎曲增大，向純鉑電極方向彎曲減小。引起這種變化的原因可能有以下兩方面：1）單側銅電極引起厚度的增加；2）單側鍍銅后銅電解形成銅離子引起基膜內可移動離子數量增加。

1）IPMC一側位移減小的原因分析

IPMC致動機理是：在交流電場的作用下，IPMC基膜內可移動水合陽離子由陽極向陰極移動，引起陰極的水合陽離子增多，由于水合陽離子之間相互排斥，引起陰極部分膨脹，最終導致IPMC宏觀上的彎曲［1?2］。實驗制備的2＃、3＃、4＃IPMC試樣，一側為純鉑電極，另一側為鉑?銅復合電極。相比兩側為純鉑電極的1＃試樣，單側銅層的引入導致IPMC單側的鉑?銅復合電極的厚度和剛度比純鉑電極的更大。由力與變形的關系可知，在相同驅動力作用下，剛度越大，變形量越小。因此，在交變電壓的激勵下，當鉑?銅復合鍍層做陰極時，水合陽離子遷移到鉑?銅復合鍍層附近，水合陽離子間的排斥作用引起陰極膨脹，與常規兩側鍍鉑的IPMC相比，鉑?銅復合鍍層厚度增加會導致應變減小，最終導致IPMC向純鉑電極層方向位移減小。

2）IPMC另一側位移增大的原因分析

在交變電壓的激勵下，當鉑?銅復合鍍層做陽極時，一方面，基膜內部水合陽離子遷移到純鉑電極附近，引起純鉑電極層的膨脹，而鉑?銅復合電極層厚度的增加對純鉑電極層的膨脹影響不大，因而對IPMC位移影響較小；另一方面，當鉑?銅復合鍍層做陽極時，電極兩側會發生如下的反應［10］：

陽極反應：Cu（s）＋5H2O→Cu2＋·5H2O＋2e－

陰極反應：Cu2＋·5H2O＋2e－→Cu（s）＋5H2O

同時，Cu2＋·5H2O會在電場的作用下，從陽極遷移到陰極附近，Cu2＋·5H2O的遷移給IPMC基膜內部提供了更多的陽離子，從而為IPMC彎曲提供更大的動力。在交變電壓的激勵下，當鉑?銅復合鍍層做陽極時，在電場作用下，陰極附近（純鉑電極）有更多水合陽離子，從而IPMC向純鉑電極層位移增大。因此，Cu2＋·5H2O的遷移一定程度上造成IPMC向純鉑電極層方向更大的彎曲。

綜上所述，單側鍍銅后一側位移減小是由于鍍銅后剛度的增加，另一側位移的增加是由于單側鍍銅提供更多可遷移的陽離子。最終導致IPMC一側位移減小，另一側位移增加，引起彎曲不對稱。

4 結論

IPMC鉑電極表面單側鍍銅可以明顯改變IPMC的輸出位移；單側鍍銅后，IPMC一側的位移減小，另一側位移增大，且傾向于向鉑銅復合電極層彎曲；當電化學鍍銅的厚度增加到一定程度（3? 8 μm）時，即單側銅層厚度與鉑層厚度之比達到2? 06時，IPMC單向彎曲的趨勢明顯，正向最大位移與負向最大位移相差5倍，IPMC在交流電壓驅動下趨于單向彎曲。

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（責任編輯：龍晉偉）

Realization of Unidirectional Bending of IPMC by Asymmetric Thickness of Electrode

WANG Maolin1，2，YU Min1，HE Qingsong1，LIU Zhigang1，2
（1．Institute of Bio?inspired Structure and Surface Engineering，Nanjing 200016，China；2．Institute of materials science and technology，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 200016，China）

Conventional Ionic Polymer?Metal Composites（IPMC）with symmetrical electrodes can produce reciprocating swing under the excitation of AC signal，but this single mode of motion limits its further development and utilization．To realize IPMC unidirectional bending，the asymmetrical e?lectrodes of IPMC was prepared by plating copper on one side of the Pt electrode，and the effects of asymmetrical electrodes on IPMC bending performance were investigated．The SEM results showed that the 1．01 μm，2．59 μm and 3．80 μm copper layers were electroplated on the surface of one side of the Pt electrode．The tip displacement measurement results showed that，under the excitation of the sinusoidal voltage signal，the IPMC with asymmetrical electrodes produced unidirectional ben?ding，and when the copper layer reached 3．80 μm，where the ratio of the thickness of the copper layer to the thickness of the platinum layer was 2．06，the maximum displacement of positive direc?tion was about five times that of the negative direction and the trend of unidirectional bending of the IPMC was obvious and tended to bend to the direction of the Pt?Cu electrode．

IPMC；flexible material；asymmetric thickness；unidirectional bending

TB381

A

1674?5825（2017）04?0541?05

2016?12?09；

2017?07?03

國家自然科學基金航天聯合基金項目（U1637101）；國家自然科學基金（51605220，51175251）

王茂林，男，碩士研究生，研究方向為材料學。E?mail：1025997009＠qq．com