本书是作者所在科研团队近十年来从事“离子聚合物金属复合柔性功能材料变形机理及其基本特性”的科研工作总结。书中内容以本科研团队的相关研究成果为主线，同时梳理了1990年至今该领域国内外的代表性工作，对IPMC的性能特点、制备工艺、功能机制、理论建模以及影响其力电响应特性的主要因素进行详细介绍，并介绍该功能材料的典型应用研究案例，从而为读者正确认识该类材料、设计及应用该新型功能材料提供借鉴。
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前言
第1章 离子型电活性聚合物材料概述1
1.1离子型EAP基本概念及分类3
1.1.1电响应离子凝胶材料3
1.1.2离子聚合物金属复合材料5
1.1.3巴基凝胶驱动材料6
1.1.4导电聚合物驱动材料7
1.2离子型EAP材料电致变形过程分析的理论方法9
1.2.1质量传输过程9
1.2.2电极边界吸附过程 10
1.2.3电化学反应过程 10
1.2.4力学作用过程 10
1.3离子型EAP材料的研究进展 11
1.3.1驱动离子和溶剂的研究进展 11
1.3.2聚合物网络材料的研究进展 12
1.3.3电极材料及其形貌结构的研究进展 16
1.3.4离子型EAP材料的发展前景 21
1.4本章小结 24
参考文献 25
第2章 IPMC基本制备工艺 30
2.1概述 30
2.2实验原材料和设备 31
2.2.1 IPMC制备原材料和设备 31
2.2.2原材料的化学性质 31
2.3基体膜预处理工艺 35
2.4浸泡还原镀工艺38
2.4.1浸泡还原镀工艺过程38
2.4.2浸泡还原镀形成的电极表面特征 42
2.4.3浸泡还原镀形成的电极界面特征 43
2.5自催化还原镀工艺 44
2.5.1自催化还原镀工艺过程 44
2.5.2自催化还原镀形成的电极表面特征 46
2.5.3自催化还原镀形成的电极界面特征 46
2.6材料后处理 48
2.7 IPMC制备工艺优化 49
2.7.1浸泡还原镀工艺参数优化 49
2.7.2 自催化还原镀工艺参数优化 50
2.7.3优化结果检验 53
2.8本章小结 53
参考文献 54
第3章 IPMC的物理参数及力电响应特性 56
3.1概述 56
3.2 IPMC弹性模量 57
3.2.1测试方法 58
3.2.2弹性模量变化规律 62
3.3 IPMC表面电阻率 63
3.3.1测试方法 63
3.3.2表面电阻率变化规律 63
3.4 IPMC介电常数 64
3.4.1测试方法 64
3.4.2 IPMC的弛豫机制 65
3.4.3不同电极IPMC的介电特性 69
3.5 IPMC力电响应特性 70
3.5.1电致动测试仪器及平台 70
3.5.2 IPMC在直流激励条件下的力电响应规律 73
3.5.3 IPMC为电响应与电极沉积过程的关系77
3.6本章小结 80
参考文献 80
第4章 IPMC基体膜制备工艺 82
4.1概述 82
4.2 Nafion溶液铸膜.工艺 84
4.2.1热处理温度对Nafion溶液铸膜的影响 84
4.2.2溶液铸膜基本工艺 84
4.3高沸点添加剂对IPMC性能的影响 86
4.3.1高沸点添加剂对铸膜微观形貌的影响 86
4.3.2高沸点添加剂对铸膜物理参数的影响 86
4.3.3不同高沸点添加剂的IPMC力电性能 89
4.3.4机电转换效率 91
4.4基于厚膜制备工艺制备柱状IPMC 94
4.5本章小结 96
参考文献 96
第5章 IPMC的性能优化 98
5.1 IPMC基体膜材料的糙化工艺改进 98
5.1.1基体膜糙化方法对IPMC性能影响的比较 98
5.1.2喷砂工艺参数对Nafion膜表面粗糙度的影响 101
5.1.3喷砂工艺参数对IPMC性能的影响 103
5.2枝状电极IPMC制备工艺 107
5.2.1典型的电极界面类型及其作用 107
5.2.2 Pd型树枝状界面电极的发现及形成机理 108
5.2.3树枝状界面电极IPMC的制备工艺 110
5.3搅拌方式对IPMC性能的影响 117
5.3.1不同搅拌方式对离子交换过程的影响 118
5.3.2不同搅拌方式对IPMC浸泡还原工艺还原过程的影响 121
5.3.3不同搅拌方式对IPMC白催化还原镀工艺过程的影响 123
5.4本章小结 125
参考丈献 126
第6章 IPMC内部质量传递理论 128
6.1 IPMC变形的物理机制 128
6.2不同质量传递理论的比较 135
6.2.1不可逆过程热动力学模型 135
6.2.2摩擦模型 137
6.2.3 NernstPlanck方程模型 139
6.2.4不同模型比较 141
6.3基于NP方程改进的质量传递理论 142
6.3.1传质过程 142
6.3.2传质模型改进 143
6.3.3传质模型简化 146
6.4 IPMC质量传递过程数值分析 148
6.4.1离子的电迁移 148
6.4.2水分子白扩散 150
6.4.3离子和水分子的相互耦合效应 151
6.5 IPMC质量传递理论的推广 152
6.5.1多组分类型质量传递 153
6.5.2电化学反应参与的质量传递 153
6.6本章小结 154
参考文献 155
第7章 IPMC多物理场耦合下的力电响应理论 158
7.1 IPMC的应力应变 158
7.1.1理论概述 158
7.1.2应变分析 159
7.1.3芯层应力分析 160
7.1.4电极的影响 163
7.2 IPMC双向可逆压电效应物理模型 164
7.2.1电致变形过程物理模型 165
7.2.2压力传感过程物理模型 166
7.3 IPMC电致响应分析 167
7.3.1无水合效应的基本模型 169
7.3.2考虑水合效应的改进型基本模型 173
7.4 IPMC在电激励下内部质量传递和分布实验 177
7.4.1离子分布成像实验及结果 177
7.4.2水分子分布成像实验及结果 178
7.5本章小结 180
参考文献 180
第8章 IPMC本征应力与大变形特性 183
8.1无量纲化模型 183
8.2各种本征应力理论模型 184
8.2.1静水压力 185
8.2.2渗透压力 185
8.2.3静电压力 186
8.2.4毛细管力 188
8.3本征应力特性的数值分析 188
8.3.1饱和含水时本征应力特性 189
8.3.2含水量变化时本征应力特性 192
8.4不同本征应力对大变形特性的影响 194
8.4.1饱和含水时不同本征应力对变形的影响 194
8.4.2含水量变化时的不同效应对变形的影响 196
8.5本章小结 198
参考文献 199
第9章 电极界面对IPMC性能影响的理论分析 201
9.1 电极界面粗糙特征对基体膜质量传递的影响 201
9.1.1 IPMC传质模型选择与简化 201
9.1.2 电极界面粗糙特征几何模型的建立 203
9.1.3电极界面粗糙特征对IPMC传质影响的分析方法 205
9.1.4 电极界面粗糙特征对基体膜质量传递的影响规律 207
9.2电极界面粗糙特征对材料电致响应的影响研究 211
9.2.1 IPMC电致响应理论模型 211
9.2.2 IPMC电致动响应仿真计算方法 213
9.2.3电极界面对IPMC电致动响应的影响规律 214
9.3 电极界面对IPMC力学性能的影响 217
9.3.1考虑电极的IPMC应变模型 217
9.3.2电极层弹性模量计算模型 219
9.3.3 电极对IPMC线应变的影响 220
9.3.4各向异性应变对IPMC电致动位移的影响 224
9.4本章小结225
参考文献 226
笫10章 IPMC性能的稳定性 228
10.1 IPMC金属电极稳定性分析 228
10.2含水量对IPMC稳定性的影响 230
10.2.1 IPMC含水量对其物理参数的影响 231
10.2.2 IPMC含水量对其变形的影响235
10.2.3空气湿度对IPMC稳定性的影响237
10.3驱动离子与溶剂种类对IPMC稳定性的影响 239
10.3.1驱动离子对IPMC稳定性的影响 239
10.3.2溶剂种类对IPMC稳定性的影响 241
10.4 IPMC的封装工艺 244
10.4.1 IPMC封装方式的确定 244
10.4.2不同驱动离子IPMC的含水量与其变形关系 246
10.4.3 IPMC的套子封装工艺 248
10.4.4 IPMC封装后性能 249
10.5本章小结 251
参考文献252
第11章 IPMC在光学装置及柔性操纵器中的应用 254
11.1基于IPMC驱动的光学装置 254
11.1.1光学镜头调焦的IPMC驱动结构 254
11.1.2新型IPMC直线驱动器 256
11.2基于IPMC的小型柔性智能操作器 265
11.2.1基于IPMC变形的小型柔性操作手 265
11.2.2基于IPMC的多自由度柔性操作臂 267
11.3本章小结 274
参考文献 274
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