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银电极复合材料传电特性

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作者:卞侃熊克朱程燕顾莉莉陈骐单位:南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室上海飞机设计研究院飞控系统研究部

SEM微观形貌及EDAX线扫描结果

所示为SEM观察的23℃下制备的Ag-IPMC试样表面和横截面形貌。由于进行多次还原反应,离子交换膜表面形成一定的厚度的Ag金属层,但Ag与离子交换膜的结合能力有限,金属层呈片状开裂,开裂的纹理与粗化时产生的纹理相吻合。从横断面可以看出,大部分表面电极与离子交换膜基体已基本分离,有小片区域连接形成虚接触。在离子交换膜表面残留很薄的一层金属银。

V112VC810uF图4为10℃时制备的Ag-IPMC微观形貌。可以看出,试件表面较为平整没有出现明显的电极翘曲和剥离,表面电极依照粗化时形成的纹理产生细小的裂缝。从横断面可以看出,表面电极与离子交换膜结合较为紧密,小部分区域有开裂迹象。图5所示为Ag-IPMC横断面EDAX扫描结果。可以看出23℃时制备的Ag-IPMC试样电极总厚度为~10μm,其中外电极厚度为~6μm,内电极厚度为~4μm;10℃时制备的Ag-IPMC的电极总厚度为~13μm可以明显看出外电极厚度为~8μm,过渡电极厚度为~5μm。对比图3、图4以及图5可以看出,反应温度为10℃时Ag-IPMC试样较反应温度为23℃时的样件具有更好的沉积效果,试样外电极的开裂现象得到有效抑制,在一定程度上缓解了Ag-IPMC外电极剥落的缺点并提高了外电极的连续性。通过降低反应温度可以在一定程度上提高Ag-IPMC内、外电极的厚度,其中外电极厚度增加约34%,内电极厚度增加约25%。由以上结果分析可知,(1)反应温度降低可以减缓Ag在离子交换膜表面的沉积速度,从而延缓离子交换膜表面致密金属Ag层的形成,使更多的葡萄糖分子进入离子交换膜内部成为可能。离子交换膜内部的Ag+离子更多的还原为金属Ag原子不但增加了内电极的厚度也为外电极的形成提供了更多的附着点;(2)反应过程用时较长,银氨溶液不稳定易析出沉淀,这些沉淀附着在离子交换膜表面从而影响外电极的沉积效果,反应温度的降低在一定程度上提高了银氨溶液的稳定性;(3)外电极连续性和致密性的改善,可在一定程度上抑制材料内部活性水合因子的散失,从而提高材料的力电耦合特性。

传感电压

10℃时制备的Ag-IPMC试样具有更好的微观形貌特征,并且内、外电极的厚度及连续性也得到不同程度的改善,因此用于测试Ag-IPMC传感特性的试样的制备温度采用10℃。图6为三种不同厚度的Ag-IPMC试样在5Hz时经放大后的传感电压,传感电压与激励信号波形吻合呈正弦波型。单个周期内传感电压具有稳定的峰峰值和规整的波形,通过对比可以看出,随着试样厚度的增加传感电压波形趋于平稳,且最大传感电压Um(峰峰值)相差不大(见表1)。

随着时间的推移,三种试样的传感电压均出现逐渐升高的趋势,其中0.2mm的试样升高较为迅速,0.4mm与0.8mm试样的升高速率大致相当且明显小于0.2mm试样。这种传感电压的升高现象是由于材料暴露在空气中失水从而导致材料变形而产生偏置电压,偏置电压的产生在测试时间内没有改变材料的传感特性,材料被动变形产生的电压差在相对时间内仍保持不变。图7为Ag-IPMC试样在120s内的偏置电压,材料在未受外力激励的状态下即有一个直流偏置(150mV~170mV),随着测试时间的推移,偏置电压呈二次多项式型增长且趋于平坦并逐渐稳定,增长速率随试样厚度的增加而减小。分析引起材料产生偏置电压的原因为:(1)材料在制备过程中由于金属颗粒的生长引起材料内部产生内应力从而使材料产生变形;(2)材料在测试过程由于外场(重力场)作用而引起微小变形;(3)材料在空气中失水而产生的变形及内部电荷密度的改变。其中(1)和(2)为产生起始直流偏置的主要诱因,而偏置电压的变化特性则与材料的失水特性相吻合。图8为三种试样在不同激励频率下的最大传感电压。可以看出,Ag-IPMC在1Hz以下具有较高的传感电压,当激励频率超过1Hz时其传感电压迅速下降,并相对稳定,当超过9Hz时,传感电压又出现上升趋势;排除奇异点后,三种试样的最大传感电压分别出现在0.2mm-0.3Hz,0.4mm-0.6Hz,0.8mm-0.65Hz附近;随着试样厚度的增加Ag-IPMC的传感电压呈上升趋势,0.8mm的最大传感电压约为0.2mm的10倍。

Ag-IPMC的传感灵敏度

采用不可逆热力学理论来描述IPMC材料内部的离子传输过程,IPMC的传感数学模型可以表示为式中E-IPMC两极间的电场强度,vp-IPMC的泊松比,-外加弯矩,h-材料厚度,L-材料长度。可以看出,IPMC的输出电压与外加力矩呈线性关系。

由IPMC的传感机制可知,材料的变形引起材料内部可移动阳离子的迁移,从而引起内部的电荷密度改变使得材料两电极间产生电势差。由公式(2)可以看出,IPMC的输出电压与外加弯矩即材料变形程度有密切的关系。由材料力学可知,曲率C与弯矩的关系为其中Y-杨氏模量,Iz-惯性矩。据此设定Ag-IPMC的灵敏度为图9为0.8mm厚的Ag-IPMC试样在9Hz激励下的传感电压及末端位移。与低频激励比较可以看出Ag-IPMC在高频激励下传感电压的波形更为工整,但在电压峰值处有微小的失真,结合末端位移的变化规律可以解释为:在高频激励下激振器在达到最大行程时由于速度过快会引起激振头的反冲,致使位移在极限点附近产生扰动,从而引起传感电压的失真。由于实验器件自身的原因,传感电压和位移在接近峰值时均会产生扰动,特别是在高频情况下这种现象更为明显。为了降低这种因实验器材对灵敏度的影响,标定灵敏度时,传感和位移数据选择除去波峰(谷)处的相对平滑的对应部分。

图10为三种试样在不同频率下的灵敏度曲线。可以看出,三种厚度的Ag-IPMC试样均在小于1Hz的范围内具有较高的灵敏度,灵敏度峰值出现在0.6Hz~0.8Hz之间,其数值为其它频率下灵敏度的5~6倍,三种试样灵敏度峰值分别出现在:0.2mm-0.65Hz,0.4mm-0.7Hz以及0.8mm-0.65Hz;随着厚度的增加灵敏度峰值增长明显,0.8mm试样的灵敏度峰值约为0.4mm的2.5倍,0.2mm的20倍(见表2)

结论

(1)反应温度对Ag-IPMC电极沉积效果具有较大的影响。比较10℃和23℃两种反应温度,较低的反应温度可有效改善材料表面电极金属的沉积效果,抑制外电极的剥落和翘曲现象,并增加材料的内、外电极厚度,提高外电极的附着能力和内电极连续性。

(2)对材料输出电压测试结果表明,材料在未受外力(场)时,由于材料在制备过程中Ag颗粒生长引起的内应力使材料产生微小变形,从而破坏材料内部的电荷密度引起材料两侧电极间存在一个较大的电势差。

(3)三种试样的传感电压和传感灵敏度测试表明,材料在0.6~0.7Hz的激励频段具有较高的传感电压和传感灵敏度且厚度大的Ag-IPMC试样具有更好的传感能力。当激励频率超过1Hz时,传感电压和传感灵敏度急剧减小。

银电极复合材料传电特性责任编辑:陈老师    阅读:人次