离子聚合物-金属复合材料.
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离子聚合物金属复合材料电学性能研究
了 Ｉ ＭＣ 的 制 备 方 法 及 相 关 分 析 研 究 ， 汉 理 工 大 学 王 Ｐ 武
ｋ国家 自然 科 学 基 金 资助 项 目（ 编号 ：０ ０ ０ ３ ５ ８ ５ ７ ） ５ ７ ５ ４ ，０ ０ ０ ６
－
分 子 分 布 使 得 Ｉ ＭＣ产 生 变 形 ， 中 电 流 的 变 化 对 于 Ｐ 其
数据采集卡片
Ｌ ｂＶｅ ａ ｉ ｗ 文 章 编号 ：０ ０— ９ ８ ２ １ ）６—０ ５ ０ １ ０ ４ ９ （０ ０ ０ ０ ５— ３
文 献标 识 码 ： Ａ
离 子 聚 合 物 金 属 复 合 材 料 （ｏ ｉ ｏｙ ｒ—ｍｅａ ＩｎｃＰ ｌｍｅ ｔｌ Ｃ ｍｐ ｓｔｓ Ｉ ＭＣ） 一 种 新 型 电 致 形 变 高 分 子 材 料 ， ｏ ｏｉ ，Ｐ ｅ 是 它
Ｎａｉｎ ７ 业 膜 作 为 Ｉ ＭＣ基 底 膜 ， Ｉ ＭＣ 材 料 的 ＃－ ｆ ｌ 商 ｏ １ Ｐ 对 Ｐ ｉ 观特征 、 观形 貌 、 动 变形 特性 以及 表面 电阻特 性进 微 驱
法 将 贵 金 属 （ Ｐ ） 粒 渗 透 并 沉 积 在 膜 的 表 面 而 形 成 如 ｔ颗 的 一 种 复 合 材 料 ，Ｐ Ｉ ＭＣ在 电 场 的 作 用 下 呈 现 弯 曲 响 应 ， 特 性 参 数 与 肌 肉 相 似 ， 有 广 阔 的 应 用 前 景 】 其 具 。
行 了 测 试 和 比 较 ， 京 航 空 航 天 大 学 于 敏 等 、 南 ” 对 Ｉ ＭＣ的 制 备 工 艺 、 试 技 术 、 能 提 升 、 用 作 了 细 致 Ｐ 测 性 应
研 究 。 上 重 点 研 究 了 Ｉ ＭＣ 的 变 形 、 出 力 以 及 表 面 以 Ｐ 输 金 属 电 极 的 电 阻 ， 实 际 上 由 于 Ｉ ＭＣ 是 一 个 机 电 耦 而 Ｐ
ｋ国家 自然 科 学 基 金 资助 项 目（ 编号 ：０ ０ ０ ３ ５ ８ ５ ７ ） ５ ７ ５ ４ ，０ ０ ０ ６
－
分 子 分 布 使 得 Ｉ ＭＣ产 生 变 形 ， 中 电 流 的 变 化 对 于 Ｐ 其
数据采集卡片
Ｌ ｂＶｅ ａ ｉ ｗ 文 章 编号 ：０ ０— ９ ８ ２ １ ）６—０ ５ ０ １ ０ ４ ９ （０ ０ ０ ０ ５— ３
文 献标 识 码 ： Ａ
离 子 聚 合 物 金 属 复 合 材 料 （ｏ ｉ ｏｙ ｒ—ｍｅａ ＩｎｃＰ ｌｍｅ ｔｌ Ｃ ｍｐ ｓｔｓ Ｉ ＭＣ） 一 种 新 型 电 致 形 变 高 分 子 材 料 ， ｏ ｏｉ ，Ｐ ｅ 是 它
Ｎａｉｎ ７ 业 膜 作 为 Ｉ ＭＣ基 底 膜 ， Ｉ ＭＣ 材 料 的 ＃－ ｆ ｌ 商 ｏ １ Ｐ 对 Ｐ ｉ 观特征 、 观形 貌 、 动 变形 特性 以及 表面 电阻特 性进 微 驱
法 将 贵 金 属 （ Ｐ ） 粒 渗 透 并 沉 积 在 膜 的 表 面 而 形 成 如 ｔ颗 的 一 种 复 合 材 料 ，Ｐ Ｉ ＭＣ在 电 场 的 作 用 下 呈 现 弯 曲 响 应 ， 特 性 参 数 与 肌 肉 相 似 ， 有 广 阔 的 应 用 前 景 】 其 具 。
行 了 测 试 和 比 较 ， 京 航 空 航 天 大 学 于 敏 等 、 南 ” 对 Ｉ ＭＣ的 制 备 工 艺 、 试 技 术 、 能 提 升 、 用 作 了 细 致 Ｐ 测 性 应
研 究 。 上 重 点 研 究 了 Ｉ ＭＣ 的 变 形 、 出 力 以 及 表 面 以 Ｐ 输 金 属 电 极 的 电 阻 ， 实 际 上 由 于 Ｉ ＭＣ 是 一 个 机 电 耦 而 Ｐ
4D打印_智能材料的增材制造技术_李涤尘
*国家自然科学基金资助项目（编号：51290294）摘要：4D 打印是指智能材料的增材制造，智能材料结构在3D 打印基础上在外界环境激励下随着时间实现自身的结构变化。
4D打印是3D 结构打印与智能材料性能的结合。
阐述4D 打印的基本技术特征，介绍了目前国际上利用增材制造技术制备智能材料的研究发展状况，展示了几种典型应用，给出了在此方面的研究初步进展，并分析了4D 打印技术发展的趋势。
关键词：增材制造；智能材料；智能结构中图分类号：TP24文献标识码：A文章编号：1009－9492(2014)05－0001－094D Printing-Additive Manufacturing Technology of Smart MaterialsLI Di-chen 1，LIU Jia-yu 1，WANG Yan-jie 1，WANG Yong-quan 1，WANG Shu-xin 2（1.State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering ，Xi'an Jiaotong University ，Xi'an710049，China ；2.Key Laboratory of Mechanism and Equipment Design of Ministry of Education ，Tianjin University ，Tianjin300072，China ）Abstract:3D Printing technology of smart materials makes it promising to fabricate complex smart material systems of arbitrary shapes.4D Printing technology ，combining 3D Printing technology and smart materials ，refers to the technology to use 3D Printing technology tofabricate smart material systems capable of changing shapes over time in a controlled fashion under external stimuli ，such as electric ormagnetic field ，temperature ，moisture ，light ，pH etc.We review recent advances and applications of Additive Manufacturingtechnology of smart materials and the development of the novel 4D Printing technology.We also provide a brief outline of our research on Additive Manufacturing technology of smart materials systems and 4D Printing technology.Key words:Additive Manufacturing ；Smart Material ；Smart Structure4D 打印-智能材料的增材制造技术*李涤尘1，刘佳煜1，王延杰1，王永泉1，王树新2（1.西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，陕西西安710049；2.天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室，天津300072）DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.0010引言智能材料结构又称机敏结构（Smart/Intelli⁃gent Material and Structure ），在外界环境刺激下，如电磁场、温度场、湿度、光、pH 值等，智能材料结构可将传感、控制和驱动三种功能集于一身，能够完成相应的反应，智能材料结构具有模仿生物体的自增值性、自修复性、自诊断性、自学习型和环境适应性[1]。
聚合物-金属纳米
8 球磨法
将微米金属粉与固态聚合物混合，然后通过球磨机的高速研 磨得到聚合物一金属纳米复合材料，目前这种方法研究的较 少。如Anit等 将等量的微米铁粉(粒径为40m)与聚乙烯粉 (分子量为10 )放入不锈钢瓶中，用四个钢球对该混合体系 进行研磨，最终得到了含有铁纳米粒子(平均粒径为9nm)的 复合材料。
固定化酶，高分子金属催化剂，模拟酶。
ⅴ. 生物功能高分子 医用高分子：体内、体外；人工脏器等。
药用高分子：药物的高分子化；高分子药物。
生物降解高分子，仿生高分子，人造血液
ⅵ. 其他
高分子液晶，高吸水性树脂，高分子絮凝剂，
减阻高分子，智能水凝胶，等。
2.2 聚合物纳米复合材料
(1)定义
纳米复合材料是由两种和两种以上的固相至少在一维以 纳米级大小复合而成的复合材料。
1宽频带强吸收几纳米的厚度即可消光高吸收?纳米微粒吸收带普遍存在蓝移现象可设计波段可控光吸收材料纳米微粒吸收带普存在移现象可设计波段可控光吸收材料纳米tio2znosio2al2o3都有吸收300400nmuv的特征纳米814cm1大块794cm1sic纳米949cm1大块935cm1si2n45特殊磁学性质鸽子蝴蝶蜜蜂等生物体内都存在有超微磁性颗粒20nm生物罗盘纯铁粒子6nm20nm块状铁矫顽力比值010001超顺磁性磁流变液高储存密度磁流变液高储存密度磁记录粉小于单磁畴状态单磁畴状态强铁磁性磁记录粉当各向异性能减小到与热运动能相当时磁化方向就不再固定在一个易磁化方向呈现超起伏性导致超顺磁性出现
2 聚合物-金属纳米复合材料
2.1 高分子材料 (1)定义
高分子与低分子的区别在于前者分子量很高，通常将分子 量高于约1万的称为高分子(polymer)。 Speciality polymer，强调特种性能
将微米金属粉与固态聚合物混合，然后通过球磨机的高速研 磨得到聚合物一金属纳米复合材料，目前这种方法研究的较 少。如Anit等 将等量的微米铁粉(粒径为40m)与聚乙烯粉 (分子量为10 )放入不锈钢瓶中，用四个钢球对该混合体系 进行研磨，最终得到了含有铁纳米粒子(平均粒径为9nm)的 复合材料。
固定化酶，高分子金属催化剂，模拟酶。
ⅴ. 生物功能高分子 医用高分子：体内、体外；人工脏器等。
药用高分子：药物的高分子化；高分子药物。
生物降解高分子，仿生高分子，人造血液
ⅵ. 其他
高分子液晶，高吸水性树脂，高分子絮凝剂，
减阻高分子，智能水凝胶，等。
2.2 聚合物纳米复合材料
(1)定义
纳米复合材料是由两种和两种以上的固相至少在一维以 纳米级大小复合而成的复合材料。
1宽频带强吸收几纳米的厚度即可消光高吸收?纳米微粒吸收带普遍存在蓝移现象可设计波段可控光吸收材料纳米微粒吸收带普存在移现象可设计波段可控光吸收材料纳米tio2znosio2al2o3都有吸收300400nmuv的特征纳米814cm1大块794cm1sic纳米949cm1大块935cm1si2n45特殊磁学性质鸽子蝴蝶蜜蜂等生物体内都存在有超微磁性颗粒20nm生物罗盘纯铁粒子6nm20nm块状铁矫顽力比值010001超顺磁性磁流变液高储存密度磁流变液高储存密度磁记录粉小于单磁畴状态单磁畴状态强铁磁性磁记录粉当各向异性能减小到与热运动能相当时磁化方向就不再固定在一个易磁化方向呈现超起伏性导致超顺磁性出现
2 聚合物-金属纳米复合材料
2.1 高分子材料 (1)定义
高分子与低分子的区别在于前者分子量很高，通常将分子 量高于约1万的称为高分子(polymer)。 Speciality polymer，强调特种性能
离子聚合物-金属复合材料
a.通常在低频时产生较大的
位移,如果频率上升到几十 HZ时,将不产生位移。
b.不同频率下,弯曲位移达到
饱和时的驱动电压值不同, 在频率较高时,电压值较小。
11
三、IPMC的特性：
3. 电致动机理：
可以从膜内部平衡离子的迁移来考虑
a.水合离子
b.膜的厚度
c.外加电场强弱
变化频率
膜内电阻、 微观电荷密度变化、 聚集层内部电荷的平衡、 离子迁移速率
17
四、IPMC的应用前景实例：
3.泳动微机器人推进器：
无噪声推动，可以躲避声纳的探测
18
四、IPMC的应用前景实例：
4.微型蠕动泵：
5.其它执行器及传感器：
如计量阀、滑行结构、微飞行器件、隔膜泵、微电机传感器等。
19
四、IPMC的应用前景实例：
（二）医学应用：人体内辅助驱动材料
1、人造心脏辅助肌肉：
16
四、IPMC的应用前景实例：
2.刮尘器：
通过从海盗宇宙探测器和火星探 险器任务中所获取的教训,研究人 员了解到在火星上执行任务的硬件 装置表面很容易积上灰尘。积累的 灰尘是妨碍光学装置长期工作的关 键性问题,并且降低了太阳能电池 产生功率的效率。 使用了类似于汽车挡风玻璃刮雨器 的刮尘器。与常规的致动器相比, IPMC 具有能制成简单、轻质、低 功率刮擦机构的理想特性。尤其是 当给定大约0.3Hz 的激励信号时, IPMC 能产生大于90 度的弯曲,其弯 曲方向取决于所施加信号的极性。
NASA/JPL（美国宇航局喷气推进实验室）reported that the actuation properties of IPMC muscles in a harsh space environment such as 1 Torr of pressure and −140 ◦C temperature are noticeable for space applications.
2024年金属复合材料市场前景分析
2024年金属复合材料市场前景分析1. 引言金属复合材料是一种由金属材料与其他非金属材料（如陶瓷、聚合物等）制成的复合材料。
它具有金属的强度和刚性，同时又兼具非金属材料的轻质和耐腐蚀性。
随着科技的不断发展和应用领域的扩大，金属复合材料市场呈现出较好的前景。
本文将对金属复合材料市场的发展趋势进行分析，以期为相关产业提供参考。
2. 金属复合材料市场的现状目前，金属复合材料已经广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑材料等领域。
随着大规模工业化生产的实现，金属复合材料的生产成本逐渐降低，市场需求不断增加。
金属复合材料的高强度、轻质和优异的耐腐蚀性，使其在工程结构和技术器件领域具有广泛的应用前景。
3. 金属复合材料市场的发展趋势3.1 技术创新推动市场发展随着科技不断进步，金属复合材料的制备技术也在不断创新。
新的生产工艺和材料配方的应用，使得金属复合材料的性能进一步提升。
例如，采用纳米技术和复合材料增材制造技术可以提高材料的强度和韧性，从而拓宽金属复合材料的应用领域。
3.2 环保意识促进金属复合材料替代传统材料传统的材料如钢铁等在生产、使用和废弃过程中会对环境造成污染。
而金属复合材料由于具有轻质、耐腐蚀等特性，被视为传统材料的替代品。
随着环保意识的不断提升，金属复合材料在汽车制造、建筑材料等领域的应用将逐渐增多。
3.3 产业链完善推动金属复合材料市场发展金属复合材料的生产需要多个环节的配套设备和技术支持。
随着金属复合材料产业链的逐渐完善，生产成本进一步下降。
同时，相关产业中的技术累积和人才培养也推动金属复合材料市场的发展。
4. 金属复合材料市场面临的挑战4.1 生产成本仍然较高尽管金属复合材料的生产成本在不断降低，但与传统材料相比仍然较高。
这限制了金属复合材料在一些领域的广泛应用。
因此，降低金属复合材料的生产成本是一个亟待解决的挑战。
4.2 技术壁垒对市场发展的制约金属复合材料的制备技术相对复杂，需要高端的设备和专业的技术支持。
复合材料的基体材料
(7) 环氧固化物的耐热性一般为80～100℃。环氧树脂的耐 热品种可达200℃或更高。
33
环氧树脂也存在一些缺点，比如耐候性差，环氧树脂中 一般含有芳香醚键，固化物经日光照射后易降解断链，所以 通常的双酚A型环氧树脂固化物在户外日晒，易失去光泽， 逐渐粉化，因此不宜用作户外的面漆。另外，环氧树脂低温 固化性能差，一般需在10℃以上固化，在10℃以下则固化缓 慢，对于大型物体如船舶、桥梁、港湾、油槽等寒季施工十 分不便。
饱和聚酯等通用型热固性树脂。
(2) 附着力强。环氧树脂固化体系中含有活性极
大的环氧基、羟基以及醚键、胺键、酯键等极性基团，
赋予环氧固化物对金属、陶瓷、玻璃、混凝士、木材
等极性基材以优良的附着力。
(3) 固化收缩率小。一般为1％～2％。是热固性
树脂中固化收缩率最小的品种之一(酚醛树脂为8％～
10％；不饱和聚酯树脂为4％～6％；有机硅树脂为4
(6) 稳定性好，抗化学药品性优良。不含碱、盐等杂质的 环氧树脂不易变质。只要贮存得当(密封、不受潮、不遇高温)， 其贮存期为1年。超期后若检验合格仍可使用。环氧固化物具 有优良的化学稳定性。其耐碱、酸、盐等多种介质腐蚀的性 能优于不饱和聚酯树脂、酚醛树脂等热固性树脂。因此环氧 树脂大量用作防腐蚀底漆，又因环氧树脂固化物呈三维网状 结构，又能耐油类等的浸渍，大量应用于油槽、油轮、飞机 的整体油箱内壁衬里等。
24
提高树脂耐热性方法： 增加高分子链刚性：引入共轭双键、三键或环状结构； 进行结晶：-C-O-C-, -OH, -NH2等； 进行交联：交联键增加，提高分子间作用力。
25
三、耐腐蚀性能
树脂的腐蚀
物理作用：溶胀或溶解，导致结构破坏，性能下降 化学作用：化学键破坏或新的化学键 影响因素：
33
环氧树脂也存在一些缺点，比如耐候性差，环氧树脂中 一般含有芳香醚键，固化物经日光照射后易降解断链，所以 通常的双酚A型环氧树脂固化物在户外日晒，易失去光泽， 逐渐粉化，因此不宜用作户外的面漆。另外，环氧树脂低温 固化性能差，一般需在10℃以上固化，在10℃以下则固化缓 慢，对于大型物体如船舶、桥梁、港湾、油槽等寒季施工十 分不便。
饱和聚酯等通用型热固性树脂。
(2) 附着力强。环氧树脂固化体系中含有活性极
大的环氧基、羟基以及醚键、胺键、酯键等极性基团，
赋予环氧固化物对金属、陶瓷、玻璃、混凝士、木材
等极性基材以优良的附着力。
(3) 固化收缩率小。一般为1％～2％。是热固性
树脂中固化收缩率最小的品种之一(酚醛树脂为8％～
10％；不饱和聚酯树脂为4％～6％；有机硅树脂为4
(6) 稳定性好，抗化学药品性优良。不含碱、盐等杂质的 环氧树脂不易变质。只要贮存得当(密封、不受潮、不遇高温)， 其贮存期为1年。超期后若检验合格仍可使用。环氧固化物具 有优良的化学稳定性。其耐碱、酸、盐等多种介质腐蚀的性 能优于不饱和聚酯树脂、酚醛树脂等热固性树脂。因此环氧 树脂大量用作防腐蚀底漆，又因环氧树脂固化物呈三维网状 结构，又能耐油类等的浸渍，大量应用于油槽、油轮、飞机 的整体油箱内壁衬里等。
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提高树脂耐热性方法： 增加高分子链刚性：引入共轭双键、三键或环状结构； 进行结晶：-C-O-C-, -OH, -NH2等； 进行交联：交联键增加，提高分子间作用力。
25
三、耐腐蚀性能
树脂的腐蚀
物理作用：溶胀或溶解，导致结构破坏，性能下降 化学作用：化学键破坏或新的化学键 影响因素：
复合材料第五章(1)金属基复合材料-金属基复合材料的分类
增强相含量, vol % 50 50 35~40 35 50 50 18~20 20 35 45
抗拉强度， MPa
1200~1500 1300~1500 700~900 500~800
650 900 500~620 400~510 1500~1750 1300~1500
拉伸模量， GPa
200~220 210~230 95 ~ 110 100~150
工艺优点： 制品有一定形状（可制备各种型材）
47
（4） 粉末(冶金)法（Slurry Powder Metallurgy） 工艺特点：解决了使用金属箔材成本高问题
工艺优点：成本低
工艺关键：低温真空下聚合物粘接剂必须能够完全挥发
48
工艺概要： 1）制备基体粉末/聚合物粘接剂胶体（可将胶体轧制成薄带） 2）用胶体固定纤维，干燥获得粉末/纤维预制片 3）或按粉末法纤维/基体复合丝方法制备复合丝 4）真空扩散结合制备复合材料
49
图5.16 粉末（冶金）法制备金属基复合料材料示意图 50
2.2.3 液态法 — 非连续增强相金属基复合材料制备工艺
（1） 压铸法（Squeeze Casting） 工艺特点：压力、液态或半液态金属 工艺概要：压力作用下，液态或半液态金属以一定速度 充填增强材料预制体空隙中并快速凝固成型 工艺关键：熔融金属温度、模具预热温度、压力、加压速度
220 130 96 ~138 ~100 210 ~230 220
密度， g/cm3
2.6 2.85~3.0
2.6 2.4 3.3 2.9 2.8 2.8 3.9 3.7
13
（2）高的韧性和冲击性能
相对聚合物、陶瓷基复合材料而言，
金属基复合材料具有较高的韧性和耐冲击性能 ！
仿生设计与制造的性能研究
仿生设计与制造的性能研究王燕*李海鸽 李鹏伟西安汽车职业大学 陕西西安 710600摘要：仿生设计是一种全新的设计思路与方法，经过优胜劣汰而选择自然界生物，其具有良好的结构和性能，这为科学技术的研究提供了一种新的设计思路。
运用理论与案例相结合的思想，将简要介绍仿生设计与制造，包括汽车仿生设计、飞行器设计、传感器设计、陶瓷设计等方面，阐明其灵感来源与实现过程，以期促进现代科学的进一步发展。
关键词：仿生设计 结构与性能 材料设计 汽车设计中图分类号：TB472文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2024)05-0234-03 Performance Research on Bionics Design and ManufacturingWANG Yan*LI Haige LI PengweiXi'an Vocational University of Automobile, Xi'an, Shaanxi Province, 710600 ChinaAbstract:Biontics design is a new design idea and method that selects natural organisms through the survival of the fittest, and it has good structures and performance, which provides a new design idea for scientific and technological research. This article uses the idea of combining theory and cases to briefly introduce bionics design and manufactur⁃ing, including automotive bionics design, aircraft design, sensor design, ceramic design, etc., and expounds their in⁃spiration sources and implementation processes, in order to promote the further development of modern science. Key Words: Bionics design; Structure and performance; Material design； Automotive design仿生设计是仿生学和设计学的结合。
复合材料概论第2章--复合材料的基体材料
5
国产太行战机用涡轮风扇航空发动机——高温高性能高铌钛铝合金材料
6
2.1.1 选择基体的原则
金属与合金品种繁多，目前用作金属基复合材料 的金属有：铝及铝合金，镁合金，钛合金，镍合 金，铜与铜合金，锌合金，铅、钛铝、镍铝金属 间化合物等。 基体材料成分的正确选择对能否充分组合和发挥
基体金属和增强物性能特点，获得预期的优异综 合性能十分重要。
第二章 复合材料的基体材料
金属材料 陶瓷材料 聚合物材料
1
2.1 金属材料
现代科学技术的发展对材料性能的要求越来
越高，特别是航天航空、军事等尖端科学技术的
发展，使得单一材料难以满足实际工程的要求，
这促进了金属基复合材料的迅猛发展。
2
1
2
3 与陶瓷材料相 比，金属基复合 材料具有高韧性 和高冲击性能、 热膨胀系数小等 优点
共价键化合物的原子自扩散系数非常高，高
纯的Si3N4 的固相烧结极为困难。因此，常用反
应烧结和热压烧结。前者是将Si3N4粉以适当的
方式成形后，在氮气氛中进行氮化合成(约
1350℃）。后者是将加适当的助烧剂
(MgO,Al2O3,1600~1700℃) 烧结。
38
氮化硼和氮化钛陶瓷
氮化硼陶瓷
BN有两种晶型：六方BN结构，性能与石墨相似，因此
化和高分子交联反应。 （临界温度和半衰期，常用的引发剂，p26）
促进剂：与催化剂或交联剂并用时，可以提高反应速率的表：Li2O-Al2O3-SiO2
32
微晶玻璃具有热膨胀系数小、导热系数 较大等特点，同时还具有一定的机械强度。
33
为获得力学性能优良的复合材料，加入的纤 维或晶须应与基体的热膨胀系数及弹性模量匹配，
国产太行战机用涡轮风扇航空发动机——高温高性能高铌钛铝合金材料
6
2.1.1 选择基体的原则
金属与合金品种繁多，目前用作金属基复合材料 的金属有：铝及铝合金，镁合金，钛合金，镍合 金，铜与铜合金，锌合金，铅、钛铝、镍铝金属 间化合物等。 基体材料成分的正确选择对能否充分组合和发挥
基体金属和增强物性能特点，获得预期的优异综 合性能十分重要。
第二章 复合材料的基体材料
金属材料 陶瓷材料 聚合物材料
1
2.1 金属材料
现代科学技术的发展对材料性能的要求越来
越高，特别是航天航空、军事等尖端科学技术的
发展，使得单一材料难以满足实际工程的要求，
这促进了金属基复合材料的迅猛发展。
2
1
2
3 与陶瓷材料相 比，金属基复合 材料具有高韧性 和高冲击性能、 热膨胀系数小等 优点
共价键化合物的原子自扩散系数非常高，高
纯的Si3N4 的固相烧结极为困难。因此，常用反
应烧结和热压烧结。前者是将Si3N4粉以适当的
方式成形后，在氮气氛中进行氮化合成(约
1350℃）。后者是将加适当的助烧剂
(MgO,Al2O3,1600~1700℃) 烧结。
38
氮化硼和氮化钛陶瓷
氮化硼陶瓷
BN有两种晶型：六方BN结构，性能与石墨相似，因此
化和高分子交联反应。 （临界温度和半衰期，常用的引发剂，p26）
促进剂：与催化剂或交联剂并用时，可以提高反应速率的表：Li2O-Al2O3-SiO2
32
微晶玻璃具有热膨胀系数小、导热系数 较大等特点，同时还具有一定的机械强度。
33
为获得力学性能优良的复合材料，加入的纤 维或晶须应与基体的热膨胀系数及弹性模量匹配，
金属基复合材料
1）基体与增强剂的选择，基体与增强剂的结合： 增强剂与基体之间应具有良好的物理相容性和化学相容性。 另外，如果在复合材料中使用高强度的纤维，就必须寻找具 有高断裂功的基体材料。在这方面，固态法制备方法更好一 些，因铸造合金一般具有较低的断裂韧性。
2）界面的形成及机制，界面产物的控制及界面设计； 3）增强剂在基体中的均匀分布： 在选择制备方法时，应选择那些使得增强剂更均匀、均质排 布（分布）的方法。在这方面，液态法与固态法相比较差。 4）制备工艺方法及参数的选择和优化； 5）制备成本的控制和降低，工业化应用的前景。
图9-11 粉末（冶金）法制备金属 基复合材料示意图
3 - 6 固态法制备工艺方法及参数的选择和优化固态法工艺的 主要参数：
1) 温度、时间: D = D0 exp （- Q / RT） D：扩散系数；Q： 扩散激活能。
X = k t 1/2 X：反应层厚度； k：反应速度常数。 2) 压力：促进结合 面的接触及在一定 温度下的金属基体 的塑性流动。 3) 结合面的清洁度：
合材料时，主要是基体
与基体之间的扩散结合，
有利于材料界面的改善；
同时通过控制基体沉积
层的厚度可控制纤维的 体积比。
图 9-4 PVD法纤维表面金属基体沉积层
2 - 4 粉末法纤维/基体复合丝
首先将金属基体粉末与聚合物 粘接剂混合制成基体粉末/聚合 物粘接剂胶体，然后将纤维通 过带有一定孔径毛细管的胶槽， 在纤维表面均匀地涂敷上一层 基体粉末胶体，干燥后形成一 定直径的纤维/基体粉末复合丝。 复合丝的直径取决于胶体的粘 度、纤维走丝速度以及胶槽的 毛细管孔径等。
业化生产。铝基复合材料单坯可达250公斤。
4 - 4 无压浸渗法（Lanxide法）
2）界面的形成及机制，界面产物的控制及界面设计； 3）增强剂在基体中的均匀分布： 在选择制备方法时，应选择那些使得增强剂更均匀、均质排 布（分布）的方法。在这方面，液态法与固态法相比较差。 4）制备工艺方法及参数的选择和优化； 5）制备成本的控制和降低，工业化应用的前景。
图9-11 粉末（冶金）法制备金属 基复合材料示意图
3 - 6 固态法制备工艺方法及参数的选择和优化固态法工艺的 主要参数：
1) 温度、时间: D = D0 exp （- Q / RT） D：扩散系数；Q： 扩散激活能。
X = k t 1/2 X：反应层厚度； k：反应速度常数。 2) 压力：促进结合 面的接触及在一定 温度下的金属基体 的塑性流动。 3) 结合面的清洁度：
合材料时，主要是基体
与基体之间的扩散结合，
有利于材料界面的改善；
同时通过控制基体沉积
层的厚度可控制纤维的 体积比。
图 9-4 PVD法纤维表面金属基体沉积层
2 - 4 粉末法纤维/基体复合丝
首先将金属基体粉末与聚合物 粘接剂混合制成基体粉末/聚合 物粘接剂胶体，然后将纤维通 过带有一定孔径毛细管的胶槽， 在纤维表面均匀地涂敷上一层 基体粉末胶体，干燥后形成一 定直径的纤维/基体粉末复合丝。 复合丝的直径取决于胶体的粘 度、纤维走丝速度以及胶槽的 毛细管孔径等。
业化生产。铝基复合材料单坯可达250公斤。
4 - 4 无压浸渗法（Lanxide法）
离子聚合物-金属复合材料
NafionTM from DuPont
含氟碳官能团的阳离子交换膜
FlemionTM or SelemionTM from Asahi Glass AciplexTM from Asahi Chemical
NeoseptaTM from Tokuyama
4
5
二、IPMC的制备：
2. IPMC的制备工艺：
12
三、IPMC的特性：
4.与形状记忆金属、电陶瓷特性比较：
13
三、IPMC的特性： (二) 应力传感特性
1.准静态传感：
14
三、IPMC的特性：
2.动态传感：
15
四、IPMC的应用前景实例：
（一）软性机械致动及传感应用
1.末端夹持器:
可制作微型低质量机器人手臂末端夹持器。该夹持器安装在直径为5mm 的石墨/ 环氧树脂复 合材料棒上面,利用频率为0.1Hz的5 伏方波信号驱动,可以实现打开夹持器手指、将夹持器放 置于待收集物体的附近、闭合夹持器、随手臂举起物体等一系列动作。夹持器能举起岩石,意 味着在未来的行星探索中可利用夹持器灵活多样的功能,来完成行星采样收集任务。
2、表面电极化过程（Surface electroding process）
(i) 准备 240 ml ([Pt(NH3)4]Cl2 or [Pt(NH3)6]Cl4) 含120 mg Pt 的水溶液加入 5 ml 5% 氨水（质量百分数) 调节PH值 (ii) 准备5% NH2OH-HCl 水溶液和20%NH2NH2 溶液. (iii) 膜浸入40℃恒温含Pt溶液中，搅拌. 每隔30min 往溶液中加入6ml NH2OHHCl 和3ml NH2NH2 溶液(2∶1) , 并逐步升高温度到60℃, 反应 4 h.至溶液中 无[P t (NH3) 6 ]4+ 离子存在;
含氟碳官能团的阳离子交换膜
FlemionTM or SelemionTM from Asahi Glass AciplexTM from Asahi Chemical
NeoseptaTM from Tokuyama
4
5
二、IPMC的制备：
2. IPMC的制备工艺：
12
三、IPMC的特性：
4.与形状记忆金属、电陶瓷特性比较：
13
三、IPMC的特性： (二) 应力传感特性
1.准静态传感：
14
三、IPMC的特性：
2.动态传感：
15
四、IPMC的应用前景实例：
（一）软性机械致动及传感应用
1.末端夹持器:
可制作微型低质量机器人手臂末端夹持器。该夹持器安装在直径为5mm 的石墨/ 环氧树脂复 合材料棒上面,利用频率为0.1Hz的5 伏方波信号驱动,可以实现打开夹持器手指、将夹持器放 置于待收集物体的附近、闭合夹持器、随手臂举起物体等一系列动作。夹持器能举起岩石,意 味着在未来的行星探索中可利用夹持器灵活多样的功能,来完成行星采样收集任务。
2、表面电极化过程（Surface electroding process）
(i) 准备 240 ml ([Pt(NH3)4]Cl2 or [Pt(NH3)6]Cl4) 含120 mg Pt 的水溶液加入 5 ml 5% 氨水（质量百分数) 调节PH值 (ii) 准备5% NH2OH-HCl 水溶液和20%NH2NH2 溶液. (iii) 膜浸入40℃恒温含Pt溶液中，搅拌. 每隔30min 往溶液中加入6ml NH2OHHCl 和3ml NH2NH2 溶液(2∶1) , 并逐步升高温度到60℃, 反应 4 h.至溶液中 无[P t (NH3) 6 ]4+ 离子存在;
金属基复合材料的制备技术
金属基复合材料的制备技术
金属基复合材料是指通过将金属基体（主要由金属构成）与其他非金属材料（如陶瓷、聚合物等）相结合而形成的新材料。
这种材料具有金属的优良机械性能和非金属材料的特殊性能，被广泛应用于航空航天、汽车工业等领域。
制备金属基复合材料的技术包括粉末冶金法、表面增强方法和熔融混合法等。
粉末冶金法是制备金属基复合材料的一种常用方法。
该方法通过将金属和非金属粉末混合均匀，并在高压下通过热压或烧结等工艺，使粉末颗粒相互结合，形成具有金属基体和非金属颗粒分布均匀的复合材料。
该方法适用于制备高温强度、磨损性能要求较高的金属基复合材料。
表面增强方法是制备金属基复合材料的另一种常见方法。
该方法通过在金属表面涂覆一层非金属材料，如陶瓷、聚合物等，从而增强金属的力学性能、抗磨损性能、耐腐蚀性能等。
该方法可以通过喷涂、电沉积、热处理等手段实现。
熔融混合法是制备金属基复合材料的一种较为简单有效的方法。
该方法通常采用熔融、熔体热处理以及凝固等过程，将金属和非金属材料进行混合，然后通过冷却凝固使其形成金属基复合材料。
该方法适用于制备具有特殊物理性质要求的金属基复合材料。
除了上述方法外，还有其他一些特殊的制备技术可应用于金属基复合材料的制备。
例如，骨架熔渗法通过在金属骨架上填充非金属材料，并通过液相渗透使非金属材料与金属骨架紧密结合；金属转变法是一种通过在金属基体中形成间晶相，改变金属的熔点和机械性能的方法。
总之，金属基复合材料的制备技术多种多样，适用于不同的复合材料和应用领域。
通过选择合适的制备方法，可以制备出具有优异性能的金属基复合材料，满足不同领域的需求。
有机化学中的聚合物的复合材料与应用
有机化学中的聚合物的复合材料与应用在有机化学领域，聚合物的复合材料是一种重要的研究方向。
复合材料是由两种或更多类型的材料组合而成的，具有比单一材料更好的性能，并且可以应用于多个领域。
本文将探讨有机化学中的聚合物复合材料以及其应用。
一、聚合物的复合材料定义及特点聚合物的复合材料是将聚合物与其他材料（如纤维、金属或陶瓷等）相结合形成的新材料。
与传统的单一聚合物相比，聚合物的复合材料通常具有更好的机械性能、热稳定性和耐腐蚀性等特点。
二、聚合物的复合材料制备方法1. 混合法：将聚合物与其他材料直接混合，然后进行成型加工。
这种方法简单易行，适用于大规模生产。
2. 化学结合法：通过化学反应将聚合物与其他材料结合。
这种方法可以在聚合物分子链中形成交联结构，提高材料的机械强度和热稳定性。
3. 共混法：将聚合物和其他材料溶解于相同的溶剂中，通过共混形成复合材料。
这种方法可以提高材料的界面相容性，减少材料的相互分离。
三、聚合物复合材料的应用领域1. 汽车工业：聚合物复合材料可以用于汽车车身零部件和内饰件的制造，以提高汽车的轻量化和安全性能。
2. 航空航天工业：由于聚合物复合材料具有轻质和高强度的特点，被广泛应用于航空航天领域，用于制造飞机、卫星等。
3. 医疗器械：聚合物复合材料可以用于制造医疗器械，如人工骨骼、人工关节等，以提高材料的生物相容性和力学性能。
4. 电子工业：聚合物复合材料可以用于制造电子元件的封装材料，具有较好的电绝缘性和导热性能。
5. 环境保护：聚合物复合材料可以用于污水处理、废气净化等环境保护领域，具有良好的吸附和分离性能。
四、聚合物复合材料的发展趋势1. 新材料的研发：随着科技的不断进步，研究人员将不断开发新型的聚合物复合材料，以满足不同领域对材料性能的需求。
2. 绿色环保：在聚合物复合材料的研究中，越来越注重绿色环保的原则，选择可再生材料和可降解材料，并减少对环境的影响。
3. 界面调控：研究人员将进一步研究和改善聚合物复合材料的界面相容性，以提高材料的综合性能。
聚合物_金属离子共溶液的制备与梯度复合材料的合成
第15卷第5期高分子材料科学与工程Vo l.15,N o.5 1999年9月POLYM ER M AT ERIALS SCIENCE AND EN GINEERING Sept.1999 文章编号:1000-7555(1999)05-0066-03聚合物-金属离子共溶液的制备与梯度复合材料的合成唐建国1,2 胡克鳌1 刘海燕3 曾昭坤2杜 韶2 郭 栋2 郭文英2 周漪琴3 吴人洁1(1上海交通大学复合材料研究所,上海,200030;2青岛大学化工系,3青岛大学应用化学系,青岛,266071)摘要 报道了由聚合物-金属-溶剂三元溶液制备溶胀阴极涂膜的条件与方式,探讨了理想的阴极涂膜对得到相应的梯度复合材料的关系。
结果表明,涂膜均匀是基本保证;膜的干燥方式以室温下回转干燥加静止干燥这样的缓慢干燥方式为佳,有利于得到结构密实的阴极涂膜。
阴极涂膜中的离子含量高时最终梯度复合膜中沉积相厚度与膜厚度的比值高,但三元溶液的流平性变差,作为折中,选用2∶1的聚合物结构单元数与离子数目的比较为合适。
按照上述考虑,还原阴极涂膜后所得的膜材料断面上呈沉积、过渡和未沉积3层次,在这三层次上铜单质浓度依次递减,呈现梯度分布。
关键词 聚丙烯腈;铜;梯度;复合材料;溶液中图分类号:T Q324.8 文献标识码:A 聚合物-金属复合材料具有优异的性能,它可用于电、光、磁、热、电子、光电子等优异性能的功能材料[1,2],传统的制备聚合物基金属复合材料的方法多是金属粉末作为第二相组分与聚合物基体简单的混合[3],其形态结构难以调节。
近年来,以某种条件控制制备复合材料的过程,使金属在聚合物中按一定规则分布;或者控制制备金属相的条件形成特定的金属相复合材料,从而满足对材料设计的需要[4～7]。
笔者建立了一种制备聚合物基金属复合材料的电化学方法,它是还原一种溶胀阴极膜而实现两种重要材料的制备:聚合物基金属梯度复合材料和聚合物基金属纳米复合材料[8,9],本文将报道聚合物-金属共溶液的制备及其对梯度复合材料(PM GCF)结构的影响。
金属聚合物
金属聚合物一、简介金属聚合物（Metallic Polymer，简称MP）是由高分子基质和金属颗粒组成的复合材料。
在MP中，金属颗粒可以是单一的元素，也可以是合金或化合物。
二、制备方法1. 化学还原法：将金属离子还原成金属颗粒并与高分子基质混合。
2. 溶胶凝胶法：将金属离子和高分子基质混合，在溶液中形成胶体，再通过热处理使其凝胶化。
3. 气相沉积法：将金属薄膜沉积在高分子基质上，然后通过热处理使其形成MP。
三、性能特点1. 电导率高：由于含有金属颗粒，MP具有较高的电导率，可用于制造导电材料。
2. 磁性强：某些MP含有铁、镍等磁性元素，具有较强的磁性，在制造磁性材料方面具有潜力。
3. 耐腐蚀性好：由于含有金属颗粒，MP具有较好的耐腐蚀性能。
4. 可塑性好：MP具有较好的可塑性，可以通过加热、压缩等方式进行成型。
5. 能够吸收辐射：某些MP含有铅、铋等元素，具有较好的辐射吸收能力，在制造防护材料方面具有潜力。
四、应用领域1. 电子材料：MP可用于制造导电材料、磁性材料等。
2. 生物医学：某些MP具有良好的生物相容性和生物活性，可用于制造人工关节、骨修复材料等。
3. 辐射防护：某些MP含有铅、铋等元素，可以用于制造放射性物质的防护材料。
4. 环保领域：MP可用于制造污水处理设备、废气处理设备等。
五、发展前景随着科技的进步和人们对新型材料需求的不断增加，MP作为一种新型复合材料，在各个领域都拥有广阔的发展前景。
未来，MP将会在电子材料、生物医学、环保领域等方面得到更广泛的应用。
同时，随着研究不断深入，MP的性能也将不断提高，为各个领域的应用提供更多的可能性。
金属聚合物
金属聚合物1. 介绍金属聚合物（Metal-polymer）是一种复合材料，由金属颗粒或纤维与聚合物基体结合而成。
相比于传统的金属材料和聚合物材料，金属聚合物结合了两者的优点，具有较高的强度、硬度和导电性，同时保持了良好的塑性和可加工性。
本文章将对金属聚合物的制备、性质和应用进行详细介绍。
2. 制备方法金属聚合物的制备方法主要分为两种：物理混合法和化学合成法。
2.1 物理混合法物理混合法是将金属颗粒或纤维与聚合物基体进行机械混合，然后通过热压、挤压或注塑等方法进行成型。
这种方法的优点是简单、成本低廉，并且可以实现大规模生产。
然而，物理混合法制备的金属聚合物的金属颗粒或纤维分布往往不均匀，且金属颗粒或纤维与聚合物基体之间的界面结合力较弱。
2.2 化学合成法化学合成法是通过化学反应将金属离子与聚合物基体进行反应，从而形成金属聚合物。
这种方法可以控制金属颗粒或纤维的大小、分布和形态，从而提高金属聚合物的力学性能和导电性能。
然而，化学合成法制备的金属聚合物往往需要较复杂的制备工艺，并且成本较高。
3. 性质金属聚合物具有以下几个显著的性质：3.1 强度和硬度由于金属的高强度和硬度，金属聚合物具有较高的强度和硬度。
金属颗粒或纤维的加入可以有效增加聚合物基体的强度和硬度，提高抗拉强度和弯曲强度。
3.2 导电性金属聚合物由于金属颗粒或纤维的存在，具有良好的导电性。
金属颗粒或纤维之间形成的导电网络可以有效传导电流，使金属聚合物具有优异的导电性能。
3.3 塑性和可加工性与传统金属材料相比，金属聚合物具有较好的塑性和可加工性。
由于聚合物基体的存在，金属聚合物可以进行常规的塑性加工，如压延、拉伸、折弯等，使其适用于各种复杂形状和尺寸的制品加工。
3.4 耐腐蚀性金属聚合物在聚合物基体的保护下，具有较好的耐腐蚀性。
聚合物基体可以阻隔外界介质的进入，保护金属颗粒或纤维不受腐蚀，延长金属聚合物的使用寿命。
4. 应用领域金属聚合物具有广泛的应用领域，以下是几个主要的应用领域：4.1 电子工业由于金属聚合物具有良好的导电性能，广泛应用于电子工业领域。
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NafionTM from DuPont
含氟碳官能团的阳离子交换膜
FlemionTM or SelemionTM from Asahi Glass AciplexTM from Asahi Chemical
NeoseptaT、IPMC的制备：
2. IPMC的制备工艺：
6
IPMC 复合膜的制备实例：
1) 2) 3) 4)
5 cm × 5 cm of NafionTM-117
1、初始复合过程（Initial compositing process）
用砂纸轻轻打磨膜的表面, 用超纯水冲洗多次; 在HCl (2 mol/L ) 中煮沸30 min, 取出用超纯水冲洗; 在超纯水中煮沸30min。 将处理后的Nafion膜浸入铂盐[Pt(NH3)6]Cl4(0.01mol/L) 的水溶液中, 陈化12 h,使[Pt(NH3)6]4+ 渗入到Nafion 膜内部, 5) 取出放入40℃水浴的反应器中, 加入5% LiBH4水溶液还原出Pt, 在此过程中, 逐渐升高水浴温度至60℃, 并搅拌1.5h;
2、表面电极化过程（Surface electroding process）
(i) 准备 240 ml ([Pt(NH3)4]Cl2 or [Pt(NH3)6]Cl4) 含120 mg Pt 的水溶液加入 5 ml 5% 氨水（质量百分数) 调节PH值 (ii) 准备5% NH2OH-HCl 水溶液和20%NH2NH2 溶液. (iii) 膜浸入40℃恒温含Pt溶液中，搅拌. 每隔30min 往溶液中加入6ml NH2OHHCl 和3ml NH2NH2 溶液(2∶1) , 并逐步升高温度到60℃, 反应 4 h.至溶液中 无[P t (NH3) 6 ]4+ 离子存在;
Seminar I
离子聚合物-金属复合材料
（ Ionic polymer-metal composites）
学生： 肖通虎 导师： 邓麦村 研究员 曹义鸣 研究员
环境工程研究室新型膜分离技术组 2005/11
1
离子聚合物-金属复合材料（IPMC）
主要内容
一、IPMC的简介： 二、IPMC的制备： 三、IPMC的特性：
3
二、IPMC的制备：
1.离子聚合物材料的选择: 成膜性、膜强度、抗化学处理等
世界主要的商业离子交换材料的制造商：
Aqualitics Asahi Glass Asahi Chemicals Solvay DuPont Ionics Sybron Tokuyama W L Gore
用于IPMC制备的典型商业材料：
12
三、IPMC的特性：
4.与形状记忆金属、电陶瓷特性比较：
13
三、IPMC的特性： (二) 应力传感特性
1.准静态传感：
14
三、IPMC的特性：
2.动态传感：
15
四、IPMC的应用前景实例：
（一）软性机械致动及传感应用
1.末端夹持器:
可制作微型低质量机器人手臂末端夹持器。该夹持器安装在直径为5mm 的石墨/ 环氧树脂复 合材料棒上面,利用频率为0.1Hz的5 伏方波信号驱动,可以实现打开夹持器手指、将夹持器放 置于待收集物体的附近、闭合夹持器、随手臂举起物体等一系列动作。夹持器能举起岩石,意 味着在未来的行星探索中可利用夹持器灵活多样的功能,来完成行星采样收集任务。
16
四、IPMC的应用前景实例：
2.刮尘器：
通过从海盗宇宙探测器和火星探 险器任务中所获取的教训,研究人 员了解到在火星上执行任务的硬件 装置表面很容易积上灰尘。积累的 灰尘是妨碍光学装置长期工作的关 键性问题,并且降低了太阳能电池 产生功率的效率。 使用了类似于汽车挡风玻璃刮雨器 的刮尘器。与常规的致动器相比, IPMC 具有能制成简单、轻质、低 功率刮擦机构的理想特性。尤其是 当给定大约0.3Hz 的激励信号时, IPMC 能产生大于90 度的弯曲,其弯 曲方向取决于所施加信号的极性。
IPMC最早发展的应用是燃料电池的电极
一般由阳离子交换膜(如Nafion膜) 和贵金属如Pt等通过化学镀的方法复合而成，
1992年发现IPMC具有电致动的特殊性质：
日本的Oguro 美国的Sadeghipour Mohsen Shahinpoor
中科院合肥智能机械研究所 广东工业大学自动化研究所 武汉理工大学光纤传感技术研究中心
7
二、IPMC的制备：
3. IPMC的典型结构：
A 表面结构：
8
B 截面结构：
9
三、IPMC的特性： (一) 电致动特性
1.直流电压下的响应特性：
1.向阳极弯曲
2. 弯曲程度（位移） 随电压增大而增大， 直至饱和状态。
10
三、IPMC的特性：
2.交流电压下的响应特性：
1. 薄膜产生摆动弯曲(位移) 2. 位移取决于电压幅值和频率
NASA/JPL（美国宇航局喷气推进实验室）reported that the actuation properties of IPMC muscles in a harsh space environment such as 1 Torr of pressure and −140 ◦C temperature are noticeable for space applications.
1、初始复合过程（Initial compositing process）
粗化、酸洗
金属盐类的溶液 （如Pt(NH3)4Cl2）
离子交换
还原
-
（如LiBH4、NaBH4）
LiBH4+4[Pt(NH3)4] 2+ +8OH →4Pt0+16NH3+LiBO2+6H2O
2、表面电极化过程（Surface electroding process）
a.通常在低频时产生较大的
位移,如果频率上升到几十 HZ时,将不产生位移。
b.不同频率下,弯曲位移达到
饱和时的驱动电压值不同, 在频率较高时,电压值较小。
11
三、IPMC的特性：
3. 电致动机理：
可以从膜内部平衡离子的迁移来考虑
a.水合离子
b.膜的厚度
c.外加电场强弱
变化频率
膜内电阻、 微观电荷密度变化、 聚集层内部电荷的平衡、 离子迁移速率
四、IPMC的应用前景实例：
五、IPMC研究中的几个问题：
2
一、离子聚合物-金属复合材料（IPMC）简介
离子聚合物金属复合材料( ionic polymer metal composite, IPMC)：
是一种电致动的智能高分子材料，
在外加较低的电压能够产生较大的形变和张力。 1939年 IPMC作为电极材料就开始被研究 1960年代，Dow Chemical
含氟碳官能团的阳离子交换膜
FlemionTM or SelemionTM from Asahi Glass AciplexTM from Asahi Chemical
NeoseptaT、IPMC的制备：
2. IPMC的制备工艺：
6
IPMC 复合膜的制备实例：
1) 2) 3) 4)
5 cm × 5 cm of NafionTM-117
1、初始复合过程（Initial compositing process）
用砂纸轻轻打磨膜的表面, 用超纯水冲洗多次; 在HCl (2 mol/L ) 中煮沸30 min, 取出用超纯水冲洗; 在超纯水中煮沸30min。 将处理后的Nafion膜浸入铂盐[Pt(NH3)6]Cl4(0.01mol/L) 的水溶液中, 陈化12 h,使[Pt(NH3)6]4+ 渗入到Nafion 膜内部, 5) 取出放入40℃水浴的反应器中, 加入5% LiBH4水溶液还原出Pt, 在此过程中, 逐渐升高水浴温度至60℃, 并搅拌1.5h;
2、表面电极化过程（Surface electroding process）
(i) 准备 240 ml ([Pt(NH3)4]Cl2 or [Pt(NH3)6]Cl4) 含120 mg Pt 的水溶液加入 5 ml 5% 氨水（质量百分数) 调节PH值 (ii) 准备5% NH2OH-HCl 水溶液和20%NH2NH2 溶液. (iii) 膜浸入40℃恒温含Pt溶液中，搅拌. 每隔30min 往溶液中加入6ml NH2OHHCl 和3ml NH2NH2 溶液(2∶1) , 并逐步升高温度到60℃, 反应 4 h.至溶液中 无[P t (NH3) 6 ]4+ 离子存在;
Seminar I
离子聚合物-金属复合材料
（ Ionic polymer-metal composites）
学生： 肖通虎 导师： 邓麦村 研究员 曹义鸣 研究员
环境工程研究室新型膜分离技术组 2005/11
1
离子聚合物-金属复合材料（IPMC）
主要内容
一、IPMC的简介： 二、IPMC的制备： 三、IPMC的特性：
3
二、IPMC的制备：
1.离子聚合物材料的选择: 成膜性、膜强度、抗化学处理等
世界主要的商业离子交换材料的制造商：
Aqualitics Asahi Glass Asahi Chemicals Solvay DuPont Ionics Sybron Tokuyama W L Gore
用于IPMC制备的典型商业材料：
12
三、IPMC的特性：
4.与形状记忆金属、电陶瓷特性比较：
13
三、IPMC的特性： (二) 应力传感特性
1.准静态传感：
14
三、IPMC的特性：
2.动态传感：
15
四、IPMC的应用前景实例：
（一）软性机械致动及传感应用
1.末端夹持器:
可制作微型低质量机器人手臂末端夹持器。该夹持器安装在直径为5mm 的石墨/ 环氧树脂复 合材料棒上面,利用频率为0.1Hz的5 伏方波信号驱动,可以实现打开夹持器手指、将夹持器放 置于待收集物体的附近、闭合夹持器、随手臂举起物体等一系列动作。夹持器能举起岩石,意 味着在未来的行星探索中可利用夹持器灵活多样的功能,来完成行星采样收集任务。
16
四、IPMC的应用前景实例：
2.刮尘器：
通过从海盗宇宙探测器和火星探 险器任务中所获取的教训,研究人 员了解到在火星上执行任务的硬件 装置表面很容易积上灰尘。积累的 灰尘是妨碍光学装置长期工作的关 键性问题,并且降低了太阳能电池 产生功率的效率。 使用了类似于汽车挡风玻璃刮雨器 的刮尘器。与常规的致动器相比, IPMC 具有能制成简单、轻质、低 功率刮擦机构的理想特性。尤其是 当给定大约0.3Hz 的激励信号时, IPMC 能产生大于90 度的弯曲,其弯 曲方向取决于所施加信号的极性。
IPMC最早发展的应用是燃料电池的电极
一般由阳离子交换膜(如Nafion膜) 和贵金属如Pt等通过化学镀的方法复合而成，
1992年发现IPMC具有电致动的特殊性质：
日本的Oguro 美国的Sadeghipour Mohsen Shahinpoor
中科院合肥智能机械研究所 广东工业大学自动化研究所 武汉理工大学光纤传感技术研究中心
7
二、IPMC的制备：
3. IPMC的典型结构：
A 表面结构：
8
B 截面结构：
9
三、IPMC的特性： (一) 电致动特性
1.直流电压下的响应特性：
1.向阳极弯曲
2. 弯曲程度（位移） 随电压增大而增大， 直至饱和状态。
10
三、IPMC的特性：
2.交流电压下的响应特性：
1. 薄膜产生摆动弯曲(位移) 2. 位移取决于电压幅值和频率
NASA/JPL（美国宇航局喷气推进实验室）reported that the actuation properties of IPMC muscles in a harsh space environment such as 1 Torr of pressure and −140 ◦C temperature are noticeable for space applications.
1、初始复合过程（Initial compositing process）
粗化、酸洗
金属盐类的溶液 （如Pt(NH3)4Cl2）
离子交换
还原
-
（如LiBH4、NaBH4）
LiBH4+4[Pt(NH3)4] 2+ +8OH →4Pt0+16NH3+LiBO2+6H2O
2、表面电极化过程（Surface electroding process）
a.通常在低频时产生较大的
位移,如果频率上升到几十 HZ时,将不产生位移。
b.不同频率下,弯曲位移达到
饱和时的驱动电压值不同, 在频率较高时,电压值较小。
11
三、IPMC的特性：
3. 电致动机理：
可以从膜内部平衡离子的迁移来考虑
a.水合离子
b.膜的厚度
c.外加电场强弱
变化频率
膜内电阻、 微观电荷密度变化、 聚集层内部电荷的平衡、 离子迁移速率
四、IPMC的应用前景实例：
五、IPMC研究中的几个问题：
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一、离子聚合物-金属复合材料（IPMC）简介
离子聚合物金属复合材料( ionic polymer metal composite, IPMC)：
是一种电致动的智能高分子材料，
在外加较低的电压能够产生较大的形变和张力。 1939年 IPMC作为电极材料就开始被研究 1960年代，Dow Chemical