电活性聚合物致动器机电响应特性研究

伍伟敏，刘怀民

(1.湖南财经工业职业技术学院机电工程系，湖南 衡阳 421002;2.南华大学机械工程学院，湖南 衡阳 421001)

0 引言

电活性聚合物(electroactive polymer，EAP)被认为是一种替代传统致动器的潜在材料。其中，以聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺最为典型。这类高分子聚合物以其质量小、质体柔软、易加工、生物相容性良好、电致应变(弯曲或伸展)较大、能在空气和液体介质中工作等显著特性[1-4]，受到了国内外学者极大的关注。这类材料在电压刺激下，其内部会产生可逆的氧化还原反应，引起体积和力学性能的变化，在电压激励撤销后又能恢复到原始的形状或体积。因此，EAP可以用来作为致动器。基于EAP致动器可以在空气和液体介质下以极低的电压(1 V，15～20 mA)进行驱动，其体积的变化则可高达39%[5]。这类材料可进行微型化构件设计，使其成为微电子机械系统(micro-electromechanical systems，MEMS)装置，广泛适用于微阀、微型机器人、生物医学设备、人工肌肉等领域[6-8]。另外，电活性聚合物表现的电化学、化学特性也引起了越来越多的研究者的关注，并将其应用扩展到电化学传感器、贮能材料等[9-10]领域。本文针对一种离子型EAP致动器材料进行研究，通过对尺寸为10 mm×2 mm的聚吡咯致动器施加阶跃电压、方波电压及正弦波电压，分析驱动电压波形、幅值及频率对致动器位移响应影响，为电活性聚合物致动器的实际应用提供理论参考。

1 试验材料与装置

1.1 电活性聚合物致动器

电活性聚合物致动器由聚合物层和电解质储层构成。其结构形式根据组成成分的不同分为多种形式，如聚合物/基体双层型、聚合物/基体/聚合物三层结构形式。本文研究的聚合物致动器是由聚合物/基体/聚合物构成的三层条形结构。其中，聚合物为聚吡咯，基材采用多孔隙聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)膜，起到支撑和储存电解质溶液的作用。试验所用致动器材料尺寸为10 mm×2 mm，电解质溶液采用0.5M LiTFSI / PC(PC为碳酸丙烯酯试剂)。

致动器材料制备过程中，聚合物经过掺杂后可大大改善其性能。对经掺杂处理的致动器施加电压，在电势的作用下，聚合物层和基体电解质中离子发生迁移运动。处于正极的聚合物层离子迁入发生氧化反应，从而导致该聚合物层体积膨胀[11-12]。相应地，负极聚合物层离子迁出发生还原反应，导致该聚合物层体积收缩。由于致动器两外侧聚合物层发生的氧化还原反应是可逆过程，通过控制驱动电压，就可以很容易地控制致动器体积的变化。聚吡咯可逆氧化还原反应如图1所示。

图1 聚吡咯可逆氧化还原反应(A-)

1.2 试验装置

致动器的机电响应特性试验装置如图2所示。非接触式激光位移传感器(SENSOPART)测量致动器的尖端位移变化情况，并通过数据采集卡(PCI-1710U)将数据传送至计算机。功率放大器(HEAS-50)用来放大数据采集卡上的输出信号。试验过程中，致动器位移变化图像由高速摄相机(FASTEC)进行采集。条形致动器试样夹在两铜片电极接线端之间，接线端与功率放大器相连接，驱动电压波形由Matlab/Simulink 模块产生，并经信号输出模块输出至功率放大器，施加于致动器试样上。

图2 试验装置图

2 试验结果与分析

试验过程中，驱动电压采用阶跃电压、正弦波及方波电压。致动器位移随施加在其上的驱动电压而变化。当在条形致动器上施加电压作用时(如施加电压为1 V)，致动器弯曲响应向电压的正极方向弯曲。如果电压反向，致动器弯曲的方向也将随之改变。

阶跃电压下致动器尖端位移响应曲线如图3所示。从图3可以看出致动器在不同的阶跃电压(0.1～1.0 V)下的位移响应。

图3 阶跃电压下致动器尖端位移响应曲线

方波电压下，致动器尖端位移响应曲线如图4所示。从图4可以看出，致动器在频率为0.5 Hz时，方波电压(幅值±1.0 V)下的位移响应。

图4 方波电压下致动器尖端位移响应曲线

由图3和图4可知,致动器阶跃电压位移响应经过5 s左右达到稳定状态，电压为1 V下的稳态弯曲位移变化值可达2.22 mm。幅值为±1 V方波驱动电压下致动器稳定状态位移变化值则为1.96 mm。在致动器的承载电压范围内，当频率一定时，致动器尖端位移随驱动电压的增大而增大。当驱动电压为正弦波和斜波电压时，致动器位移响应变化趋势与阶跃电压和方波电压对应的趋势一致。

将驱动电压下致动器稳定状态位移响应幅值绘制成以驱动电压为自变量的函数。致动器尖端位移响应与驱动电压关系如图5所示。

图5 致动器尖端位移响应与驱动电压关系图

根据图5可知，随着驱动电压增加，迁进迁出聚合物层的离子增多，导致聚合物层的膨胀收缩程度加剧；致动器的位移响应与驱动电压呈线性关系。与驱动电压幅值相同时，阶跃信号致动器尖端位移响应幅值最大。

致动器施加驱动电压产生的位移变化大小不仅与电压大小有关，同时还与驱动电压频率相关。通过比较相同幅值、不同频率驱动电压下致动器尖端位移响应，可分析位移响应与频率之间的关系。幅值为±1 V时，致动器在0.1 Hz正弦波电压下和0.1 Hz三角波电压下的致动器尖端位移响应如图6所示。

图6 致动器尖端位移响应曲线

由图6可知，致动器位移响应变化滞后驱动电压变化。这一方面是由于致动器聚合层发生充分的氧化还原需要一定时间；另一方面在于聚合物致动器为黏弹性材料，其应变与应力之间会存在滞后现象，且滞后现象与驱动电压频率有关。

在幅值为±1 V时，对于不同波形，频率变化时致动器位移响应曲线如图7所示。

图7 位移-频率曲线

由图7可知，致动器在低频(f<0.1 Hz)时就可以产生较大的位移，并且其位移响应幅值随驱动电压频率的增大而减小，当达到一定频率范围(正弦波f>20 Hz)时，致动器的尖端位移接近于零。产生上述现象的原因是：随着驱动电压频率增大，致动器内离子迁移速率递减。由于离子迁移率决定聚合物层的氧化反应速率，高频输入电压将会减少离子迁进迁出聚合物层的数量，影响可逆氧化反应的速率，从而导致其位移极值不断减小。

从图7还可知，相同条件下，致动器在方波电压下的位移响应幅值大于正弦波及斜波，而且随着频率的增大，方波电压的位移递减较快，位移响应幅值随频率的增大而减小，且呈非线性关系。当致动器上施加同频率同幅值驱动电压时，同一周期内方波比正弦波和斜波具有更多的电能，因此在相同周期内转换的机械能也更多，从而导致方波电压下致动器位移响应幅值大于正弦波和斜波电压。

3 结束语

本文以尺寸为10mm×2mm聚吡咯致动器为研究对象，进行机电响应特性试验，研究分析了致动器位移响应与驱动电压波形、幅值和频率的关系。研究所得的结论如下。

①阶跃电压下致动器位移响应经过5 s左右达到稳定状态，仅1 V驱动电压就可使致动器稳态弯曲位移变化值达2.22 mm。在幅值为±1 V的方波驱动电压下，致动器稳定状态位移变化值为1.96 mm。

②随着驱动电压增加，迁进迁出致动聚合物层的离子增多引起聚合物层的氧化还原加剧。其位移随驱动电压幅值的增大而增大，并呈线性关系。

③致动器位移响应滞后驱动电压变化，致动器在低频(f<0.1 Hz)时位移变化较大，并且其位移响应幅值随驱动电压频率的增大而减小，呈现出非线性关系。在同频率、同幅值的驱动电压下，方波相对正弦波与斜波所具有的能量更多，其位移响应变化幅值也更大。