Ионные композиты полимер – металл - Ionic polymer–metal composites - Wikipedia

Принцип срабатывания IPMC
Принципы срабатывания IPMC, сбора энергии и измерения. Когда на электроды прикладывается напряжение (электрическое поле), положительно заряженные сопряженные и гидратированные катионы в молекулярной сети мембраны отталкиваются анодом и мигрируют к отрицательному электроду или катоду, унося с собой молекулы гидратированной воды. Эта миграция создает градиент осмотического давления через мембрану, вызывая эффектное изгибание или деформацию полосы IPMC.[1] С другой стороны, механическое изгибание или деформация лент IPMC заставляет сопряженные катионы перемещаться, и это создает электрический потенциал, выходное напряжение и переходный ток (сбор энергии, режимы измерения) на основе Пуассон-Нернст-Планк теории поля. Молекулы гидратированной воды связаны с катионами, когда они мигрируют. Однако, если есть негидратированные рыхлые молекулы воды, увлекаемые гидратированными катионами в качестве добавленной массы к аноду, после достижения равновесия изгиба или деформации свободные молекулы воды текут обратно к катоду, и может наблюдаться некоторая обратная релаксация.

Ионные композиты полимер – металл (IPMC) представляют собой синтетические композитные наноматериалы, отображающие искусственная мышца поведение под приложенным напряжением или электрическим полем. IPMC состоят из ионный полимер подобно Нафион или же Флемион поверхности которых имеют химическое или физическое покрытие с такими проводниками, как платина или золото. Под приложенным напряжением (1–5 В для типичных образцов размером 10 мм x 40 мм x 0,2 мм) миграция и перераспределение ионов из-за приложенного напряжения на полосе IPMC приводит к деформации изгиба. Если гальванические электроды расположены в несимметричной конфигурации, приложенное напряжение может вызывать различные деформации, такие как скручивание, качение, скручивание, вращение, скручивание, завихрение и несимметричная деформация изгиба. В качестве альтернативы, если такие деформации физически применяются к полоскам IPMC, они генерируют сигнал выходного напряжения (несколько милливольт для типичных небольших образцов) в качестве датчиков и собирателей энергии. IPMC - это тип электроактивный полимер. Они очень хорошо работают как в жидкой среде, так и в воздухе. Они имеют плотность силы около 40 в консольной конфигурации, что означает, что они могут создавать концевую силу, почти в 40 раз превышающую их собственный вес в консольной конфигурации. IPMC в срабатывании, считывании и сборе энергии имеют очень широкую полосу пропускания до килогерц и выше. IPMC были впервые представлены в 1998 году Шахинпуром, Бар-Коэном, Сюэ, Симпсоном и Смитом (см. Ссылки ниже), но первоначальная идея ионных полимерных приводов и датчиков восходит к 1992-93 годам Адольфом, Шахинпуром, Сегалманом, Витковски, Осадой, Окузаки, Хори, Дои, Мацумото, Хиросе, Огуро, Такенака, Асака и Кавами, как показано ниже:

1-Сегалман Д. Дж., Витковски В. Р., Адольф Д. Б., Шахинпур М., "Теория и применение электрически контролируемых полимерных гелей", Int. Журнал интеллектуальных материалов и структур, вып. 1. С. 95–100, (1992)
2-Шахинпур М., «Концептуальный дизайн, кинематика и динамика плавучих роботизированных конструкций с использованием ионно-полимерных гелевых мышц», Int. Журнал интеллектуальных материалов и структур, том 1, стр. 91–94, (1992)
3-й. Osada, H. Okuzaki и H. Hori, "Полимерный гель с электрически управляемой подвижностью", Nature, vol. 355, стр. 242–244, (1992).
4-Огуро К., Кавами Ю. и Такенака Х., "Изгиб ионопроводящего полимерного пленочного электродного композитного материала электрическим стимулом при низком напряжении", Trans. J. Micro-Machine Society, т. 5. С. 27–30, (1992)
5-М. Дои, М. Марсумото и Ю. Хиросе, "Деформация ионных гелей электрическими полями", Macromolecules, vol. 25. С. 5504–5511, (1992).
6-Огуро, К., К. Асака и Х. Такенака, «Актуатор из полимерной пленки, приводимый в действие низким напряжением», В материалах 4-го Международного симпозиума по микромашинам и наукам о человеке », Нагоя, стр. 38-40, ( 1993)
7-Адольф Д., Шахинпур М., Сегалман Д., Витковски В., "Электроуправляемые полимерные гелевые приводы", Патентное ведомство США, Патент США № 5250167, выдан 5 октября (1993)
8-Огуро К., Кавами Ю. и Такенака Х., «Элемент привода», Патентное ведомство США, Патент США № 5268082, выдан 7 декабря (1993)

За этими патентами последовали дополнительные родственные патенты:


9-Шахинпур, М., «Пружинный линейный привод на ионном полимерном геле», Патентное ведомство США, Патент США № 5,389,222, выдан 14 февраля (1995).
10-Шахинпур, М. и Мохаррад, М., «Мягкие исполнительные механизмы и искусственные мышцы», Патентное ведомство США, Патент США 6,109,852, выдан 29 августа (2000 г.)
11-Шахинпур, М. и Мохаррад, М., «Ионно-полимерные сенсоры и приводы», Патентное ведомство США, № 6,475,639, опубликовано 5 ноября (2002 г.)
12-Шахинпур, М. и Ким, К.Дж., «Способ изготовления сухой электроактивной полимерной синтетической мышцы», Патентное ведомство США, Патент № 7 276 090, выдан 2 октября (2007)
Следует также отметить, что Танака, Нишио и Сан представили явление коллапса ионного геля в электрическом поле:
13-Т. Танака, И. Нишио и С.Т. Солнце, "Коллапс гелей в электрическом поле", Science, vol. 218, стр. 467–469, (1982)

Следует также отметить, что Хэмлен, Кент и Шафер представили электрохимическое сжатие ионных полимерных волокон:

14-р. П. Хамлен, К. Э. Кент и С. Н. Шафер, "Электролитически активированный сократительный полимер", Nature, vol. 206, нет. 4989, стр. 1140–1141, (1965)

Следует также поблагодарить Дарвина Г. Колдуэлла и Пола М. Тейлора за ранние работы над химически стимулированными гелями в качестве искусственных мышц:

15. Дарвин Г. Колдуэлл и Пол М. Тейлор, «Химически стимулированное псевдомышечное срабатывание», Международный журнал инженерных наук, том 28, выпуск 8, стр. 797–808, (1990)

Рекомендации

  1. ^ Набор ионно-полимерных металлических композитов (IPMC), редактор: Мохсен Шахинпур, Королевское химическое общество, Кембридж, 2016 г., https://pubs.rsc.org/en/content/ebook/978-1-78262-720-3

внешняя ссылка