离子聚合物-金属复合物发展综述
彭瀚曼，杨淋，李华峰，赵淳生
(南京航空航天大学，江苏南京210016)
摘要：介绍了一种新型智能材料——离子聚合物金属复合物，概述了其特性和致动机理，引述了离子聚合物-金属复合物在微特作动器中一些应用实例，最后展望了离子聚合物一金属复合物在未来的发展前景。
0 引 言
离子聚合物一金属复合物(10nic Polymer-MetaI composite，简称IPMc)是人工肌肉的一种，属于离子型EAP(electroactive polymer)范畴，也称为离子型人工肌肉。它在仿生机械中是一类最基本的驱动器与传感器，是一种柔顺装置。IPMc的形态类似于一块薄金属片，原料可以是DuPont公司的NafionTM膜，也可以是日本的Flemion膜和selemion膜，然后在膜的两侧面镀上电极(如铂Pt、金Au等贵金属)可得IPMc膜。在电极上加上低电压(1～7v)可以使它产生一定的弯曲变形，从而构成作动器；而如果不加电压，只加纯机械载荷(弯矩)可以使膜上下表面产生电位差，则构成柔性传感器。IPMc为人们制造具有肌肉性能的作动器和传感器提供了可能，其驱动电压低、柔度高、响应迅速、位移大、产生的力是自身重力的好几倍，所以运用IPMc制作的作动器非常容易微型化，有利于仿生学的发展，目前适用于医疗器械(如人造心脏、人造眼球、人造皮肤)、太空探索、微型机器人、MEMs和娱乐等诸多领域。
IPMc的发展可以追溯到1939年，人们发明了在膜的表面快速沉淀一层胶态化银的方法。不过，这种方法形成的IPMc的雏形由于金属层和聚合物之间容易脱离，所以金属层不能实现作为电极的功能。随着技术发展，20世纪70年代初，Levine和Prevost等人运用氧化还原反应进行电镀，解决了这个难题。1992年Oguro、shahinpoor、sadeghipour同时发现了IPMc的电驱动特性。1999年召开第一届关于EAP的国际会议以及开展用EAP驱动的机械手与人手进行力量比赛后，包括美国、日本、韩国在内的多个国家研究机构和企业都对IPMc进行了全面研究，2000年以后这项技术得到了长足发展，有了许多各种各样的新型作动器，比如蝠鲼型作动器、8脚作动器和蛇形作动器等。
1 IPMc的致动机理和特性
l 1 IPMC的致动机理
IPMc的致动机理如图l所示。在两电极上施加电压后，材料中本来平均分布的阳离子在外加电场的作用下向阴极聚集。同时膜内阳离子(Na、Li)等亲水性很强，它们移动时，带动水分子一起移动到了阴极附近，从而在膜的一侧形成一个很薄(小于10μm)的边界层，IPMc膜负极侧溶胀，产生压力差，密度大的地方向密度小的地方弯曲，即膜向阳极弯曲，从而导致形变。
如果通直流电，弯曲后，薄膜会逐渐恢复原状(不同离子的恢复方向和程度都有不同。)；如果通一定频率的交流电，薄膜会产生摆动。
反之，膜受外力而变形，将在电极间产生电势差。这是因为膜的变形使膜内外部的纤维膨胀，内部的压缩(如图2所示)，这就导致膜的纤维内产生应力梯度。又因为膜内的阴离子固定在聚合物内的纤维中不能自由移动，而阳离子是可以移动的，所以膜内的阳离子朝密度小的区域运动，使电极间产生电势差。IPMc的这种传感性能最早是由sadeghipour等人提出的，后来shahinp00r进行了深入的研究，并取得了一定的成果。这种特性使得IPMc在MEMs中有着巨大的发展潜力。
电压的大小直接影晌膜的形变量和驱动力的大小。当电压较低时，由于膜内部电阻和表面阻抗的存在，TPMc的运动幅度很小：当电压升高时，膜内离子迁移的速度和迁移量增加，薄膜的形变量和力同时增大；当膜内离子分布形成的电场与外加电压形成的电场达到平衡时，薄膜的形变****。此外，IPMc膜的形变量还与外加电压的频率有关。由于IPMc膜内水合阳离子迁移速度的限制，迁移需要一定的时间，因此IPMc膜在低频电场作用下才能产生较大的位移。
膜内阳离子种类对膜的位移量影响也很大，因为离子不同，膜的内阻和膜的硬度也不同，这些因素都会导致膜的致动性不同。例如Masaki Yamakita的蛇形作动器用不同的离子(Na、cs、TEA)进行位移和速度的对比，如图3、图4所示。
除上述影响因素外，还有一个重要因素就是膜的厚度。如图5所示，设一块IPMc膜长为L1、自 |
