電活性聚合物致動器機電響應特性研究

伍偉敏，劉懷民

(1.湖南財經工業職業技術學院機電工程系，湖南 衡陽 421002;2.南華大學機械工程學院，湖南 衡陽 421001)

0 引言

電活性聚合物(electroactive polymer，EAP)被認為是一種替代傳統致動器的潛在材料。其中，以聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺最為典型。這類高分子聚合物以其質量小、質體柔軟、易加工、生物相容性良好、電致應變(彎曲或伸展)較大、能在空氣和液體介質中工作等顯著特性[1-4]，受到了國內外學者極大的關注。這類材料在電壓刺激下，其內部會產生可逆的氧化還原反應，引起體積和力學性能的變化，在電壓激勵撤銷后又能恢復到原始的形狀或體積。因此，EAP可以用來作為致動器。基于EAP致動器可以在空氣和液體介質下以極低的電壓(1 V，15～20 mA)進行驅動，其體積的變化則可高達39%[5]。這類材料可進行微型化構件設計，使其成為微電子機械系統(micro-electromechanical systems，MEMS)裝置，廣泛適用于微閥、微型機器人、生物醫學設備、人工肌肉等領域[6-8]。另外，電活性聚合物表現的電化學、化學特性也引起了越來越多的研究者的關注，并將其應用擴展到電化學傳感器、貯能材料等[9-10]領域。本文針對一種離子型EAP致動器材料進行研究，通過對尺寸為10 mm×2 mm的聚吡咯致動器施加階躍電壓、方波電壓及正弦波電壓，分析驅動電壓波形、幅值及頻率對致動器位移響應影響，為電活性聚合物致動器的實際應用提供理論參考。

1 試驗材料與裝置

1.1 電活性聚合物致動器

電活性聚合物致動器由聚合物層和電解質儲層構成。其結構形式根據組成成分的不同分為多種形式，如聚合物/基體雙層型、聚合物/基體/聚合物三層結構形式。本文研究的聚合物致動器是由聚合物/基體/聚合物構成的三層條形結構。其中，聚合物為聚吡咯，基材采用多孔隙聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)膜，起到支撐和儲存電解質溶液的作用。試驗所用致動器材料尺寸為10 mm×2 mm，電解質溶液采用0.5M LiTFSI / PC(PC為碳酸丙烯酯試劑)。

致動器材料制備過程中，聚合物經過摻雜后可大大改善其性能。對經摻雜處理的致動器施加電壓，在電勢的作用下，聚合物層和基體電解質中離子發生遷移運動。處于正極的聚合物層離子遷入發生氧化反應，從而導致該聚合物層體積膨脹[11-12]。相應地，負極聚合物層離子遷出發生還原反應，導致該聚合物層體積收縮。由于致動器兩外側聚合物層發生的氧化還原反應是可逆過程，通過控制驅動電壓，就可以很容易地控制致動器體積的變化。聚吡咯可逆氧化還原反應如圖1所示。

圖1 聚吡咯可逆氧化還原反應(A-)

1.2 試驗裝置

致動器的機電響應特性試驗裝置如圖2所示。非接觸式激光位移傳感器(SENSOPART)測量致動器的尖端位移變化情況，并通過數據采集卡(PCI-1710U)將數據傳送至計算機。功率放大器(HEAS-50)用來放大數據采集卡上的輸出信號。試驗過程中，致動器位移變化圖像由高速攝相機(FASTEC)進行采集。條形致動器試樣夾在兩銅片電極接線端之間，接線端與功率放大器相連接，驅動電壓波形由Matlab/Simulink 模塊產生，并經信號輸出模塊輸出至功率放大器，施加于致動器試樣上。

圖2 試驗裝置圖

2 試驗結果與分析

試驗過程中，驅動電壓采用階躍電壓、正弦波及方波電壓。致動器位移隨施加在其上的驅動電壓而變化。當在條形致動器上施加電壓作用時(如施加電壓為1 V)，致動器彎曲響應向電壓的正極方向彎曲。如果電壓反向，致動器彎曲的方向也將隨之改變。

階躍電壓下致動器尖端位移響應曲線如圖3所示。從圖3可以看出致動器在不同的階躍電壓(0.1～1.0 V)下的位移響應。

圖3 階躍電壓下致動器尖端位移響應曲線

方波電壓下，致動器尖端位移響應曲線如圖4所示。從圖4可以看出，致動器在頻率為0.5 Hz時，方波電壓(幅值±1.0 V)下的位移響應。

圖4 方波電壓下致動器尖端位移響應曲線

由圖3和圖4可知,致動器階躍電壓位移響應經過5 s左右達到穩定狀態，電壓為1 V下的穩態彎曲位移變化值可達2.22 mm。幅值為±1 V方波驅動電壓下致動器穩定狀態位移變化值則為1.96 mm。在致動器的承載電壓范圍內，當頻率一定時，致動器尖端位移隨驅動電壓的增大而增大。當驅動電壓為正弦波和斜波電壓時，致動器位移響應變化趨勢與階躍電壓和方波電壓對應的趨勢一致。

將驅動電壓下致動器穩定狀態位移響應幅值繪制成以驅動電壓為自變量的函數。致動器尖端位移響應與驅動電壓關系如圖5所示。

圖5 致動器尖端位移響應與驅動電壓關系圖

根據圖5可知，隨著驅動電壓增加，遷進遷出聚合物層的離子增多，導致聚合物層的膨脹收縮程度加劇；致動器的位移響應與驅動電壓呈線性關系。與驅動電壓幅值相同時，階躍信號致動器尖端位移響應幅值最大。

致動器施加驅動電壓產生的位移變化大小不僅與電壓大小有關，同時還與驅動電壓頻率相關。通過比較相同幅值、不同頻率驅動電壓下致動器尖端位移響應，可分析位移響應與頻率之間的關系。幅值為±1 V時，致動器在0.1 Hz正弦波電壓下和0.1 Hz三角波電壓下的致動器尖端位移響應如圖6所示。

圖6 致動器尖端位移響應曲線

由圖6可知，致動器位移響應變化滯后驅動電壓變化。這一方面是由于致動器聚合層發生充分的氧化還原需要一定時間；另一方面在于聚合物致動器為黏彈性材料，其應變與應力之間會存在滯后現象，且滯后現象與驅動電壓頻率有關。

在幅值為±1 V時，對于不同波形，頻率變化時致動器位移響應曲線如圖7所示。

圖7 位移-頻率曲線

由圖7可知，致動器在低頻(f<0.1 Hz)時就可以產生較大的位移，并且其位移響應幅值隨驅動電壓頻率的增大而減小，當達到一定頻率范圍(正弦波f>20 Hz)時，致動器的尖端位移接近于零。產生上述現象的原因是：隨著驅動電壓頻率增大，致動器內離子遷移速率遞減。由于離子遷移率決定聚合物層的氧化反應速率，高頻輸入電壓將會減少離子遷進遷出聚合物層的數量，影響可逆氧化反應的速率，從而導致其位移極值不斷減小。

從圖7還可知，相同條件下，致動器在方波電壓下的位移響應幅值大于正弦波及斜波，而且隨著頻率的增大，方波電壓的位移遞減較快，位移響應幅值隨頻率的增大而減小，且呈非線性關系。當致動器上施加同頻率同幅值驅動電壓時，同一周期內方波比正弦波和斜波具有更多的電能，因此在相同周期內轉換的機械能也更多，從而導致方波電壓下致動器位移響應幅值大于正弦波和斜波電壓。

3 結束語

本文以尺寸為10mm×2mm聚吡咯致動器為研究對象，進行機電響應特性試驗，研究分析了致動器位移響應與驅動電壓波形、幅值和頻率的關系。研究所得的結論如下。

①階躍電壓下致動器位移響應經過5 s左右達到穩定狀態，僅1 V驅動電壓就可使致動器穩態彎曲位移變化值達2.22 mm。在幅值為±1 V的方波驅動電壓下，致動器穩定狀態位移變化值為1.96 mm。

②隨著驅動電壓增加，遷進遷出致動聚合物層的離子增多引起聚合物層的氧化還原加劇。其位移隨驅動電壓幅值的增大而增大，并呈線性關系。

③致動器位移響應滯后驅動電壓變化，致動器在低頻(f<0.1 Hz)時位移變化較大，并且其位移響應幅值隨驅動電壓頻率的增大而減小，呈現出非線性關系。在同頻率、同幅值的驅動電壓下，方波相對正弦波與斜波所具有的能量更多，其位移響應變化幅值也更大。