王茂林，于 敏，何青松，刘志刚

通过非对称电极实现IPMC单向弯曲

王茂林1，2，于 敏1，何青松1，刘志刚1，2

（1．南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所，南京200016；2．南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京200016）

针对常规对称电极的离子聚合物⁃金属复合材料（IPMC）在交流信号的作用下仅能够产生往复摆动这种单一运动形式对其开发利用的限制，通过在传统IPMC铂电极表面的一侧镀铜制备出非对称电极IPMC，实现了IPMC的单向弯曲。利用扫描电镜对样品铂电极层表面镀铜的厚度观察，结果显示在IPMC电极一侧分别电镀1Ʊ 01 μm、2Ʊ 59 μm、3Ʊ 80 μm铜层；通过激光位移传感器对样品末端的位移进行测试，结果表明，在正弦电压信号的激励下，非对称电极的IPMC有单向弯曲的趋势，当镀铜层厚度达到3Ʊ 80 μm，即铜层厚度与铂层厚度之比达到2Ʊ 06时，IPMC正向最大位移与负向最大位移相差5倍，单向弯曲的趋势明显，且倾向于向更厚的铂铜复合镀层方向弯曲。

IPMC；柔性材料；非对称电极；单向弯曲

1 引言

电活性聚合物具有特殊的机电耦合特性，在电场刺激下能够产生一定的变形，离子聚合物⁃金属复合材料（Ionic Polymer⁃Metal Composites，IPMC）是一种新型的离子型电活性聚合物，由中间的离子交换膜和两侧的金属层构成，具有类似三明治的结构［1］。与传统的电活性材料相比，IPMC具有驱动电压低、变形相对较大、质量轻以及反应迅速等优点，因此越来越引起研究者的关注［1⁃2］。其致动机理主要是：在交流电场的作用下，IPMC基膜内可移动水合阳离子由阳极向阴极移动，导致阴极的水合阳离子增多，阳极的水合阳离子减少，宏观上表现为阳极收缩，阴极膨胀，因此IPMC向阳极弯曲［3］。

根据IPMC的电活性特性，研究者将IPMC投入更多的工业及其他方面应用。NASA对IPMC的应用做了诸多探索，利用IPMC材料在交流电场中产生往复摆动的特点，制备了应用于太空探测器相机镜头除尘的除尘装置［3］。良好的柔软性和收缩性使得IPMC在仿生机器人方面也有应用，如Guo等研制了一系列微型水下机器人，可以实现在水下行走、旋转、游行、漂浮等动作［4］。Shahinpoor等利用IPMC制备四足抓取器，在0Ʊ 1 Hz、5 V的驱动电压下能抓起约10Ʊ 3 g重量的小石子，这种抓取器可适用于更恶劣的低温工作环境［5］。此外，将IPMC应用于空间非合作目标卫星的在轨柔性捕获有望降低因采用传统对接机构、机械臂等捕获操作机构带来的控制技术难度和发射重量成本，但这种柔性捕获技术要求IPMC具有更多的运动形式和控制灵活性［6⁃8］。而常规对称电极的IPMC在交流信号的作用下仅产生往复摆动［1］，运动控制单一，不能满足在轨柔性捕获技术的要求。因此，为实现IPMC更多运动形式的控制，本文提出一种实现IPMC的单向弯曲的方法：通过在传统IPMC表面铂电极单侧贴覆胶带，单侧镀铜制备出非对称电极的IPMC，实现IPMC在正弦电压信号下的单向弯曲。

2 实验

2Ʊ 1 非对称电极IPMC的制备

2Ʊ 1Ʊ 1 铂电极的制备

IPMC由位于中间的离子交换膜和两侧的金属电极层构成，实验使用美国DuPont公司生产的商业Nafion⁃117膜作为离子交换膜，厚度为0Ʊ 2 mm；采用铂作为IPMC的电极，通过化学镀方法在Nafion膜表面沉积一层铂电极。

IPMC铂电极的制备过程如下：1）膜的表面粗化：裁剪适当大小的Nafion基膜，用手工打磨法正反两面分别打磨15 min，其目的是增加电极和基底膜的接触面积，便于Pt颗粒的沉积；2）膜的清洗：将打磨后的基底膜先超声清洗30 min，接着用5%的盐酸煮30 min，除去膜表面的杂质，再用去离子水煮30 min，除去残留的盐酸；3）离子吸附：将膜置于Pt浓度为3Ʊ 5 mg·mL－1的［Pt（NH3）4］Cl2溶液中浸泡14 h，完成离子吸附；4）主化学镀：采用NaBH4作为还原剂进行初始化学镀，将铂复合阳离子在Nafion膜表面还原生成铂电极层，反应温度为42℃到62℃；5）次化学镀：为提高表面质量，需进行二次化学镀，将膜浸泡在［Pt（NH3）4］Cl2溶液中，采用NH2OH·HCl（1Ʊ 5 wt%）和N2H4·1Ʊ 5H2O（20 wt%）作为还原剂进行二次化学镀，得到IPMC试样；6）离子交换：水煮30 min除去残留的HCl，将化学镀后的IPMC在LiCl溶液中浸泡两天完成离子交换，得到两侧镀有铂电极的IPMC。

2Ʊ 1Ʊ 2 铂电极表面的单侧镀铜

在传统IPMC铂电极表面单侧镀铜完成非对称电极IPMC的制备。为了实现IPMC单侧镀铜，实验采用掩膜法［9⁃10］对一侧的电极进行掩盖，在另外一侧实现单侧镀铜。采用电镀法［11⁃13］在IPMC铂电极表面单侧镀铜，由于外加电流的作用，只有导电的铂电极附近有电子的供给，烧杯中其他位置没有电子的供给，因此电镀法只在铂电极表面附近发生铜离子的还原反应，也只在铂电极表面沉积铜层，且电化学法反应时间短，镀层厚度容易控制，便于进行对比实验。

具体实验过程如下：先将表面镀铂的IPMC裁剪为25 mm×5 mm条状，在2%的铜离子溶液中浸泡2 h进行离子吸附；吸附后取出，并在IPMC铂电极一侧贴覆胶带掩盖，将贴好胶带的IPMC悬挂在2%的铜离子溶液中作阴极，阳极材料选用铜，施加0Ʊ 3 V的直流电压，两电极之间的距离为1 cm，分别通电0 min、2 min、4 min、6 min，从而在IPMC铂电极表面一侧电镀不同厚度的铜；最后取下胶带，用去离子水冲洗后，保存在LiCl溶液中备用。最终得到非对称电极的IPMC。2Ʊ 2 性能测试

通过场发射扫描电子显微镜（SEM，ZEISS SIGMA，德国）观察IPMC电极的厚度；如图1所示，通过激光位移传感器（LK⁃80、KEYENCE，中国）采集IPMC的位移，用来表征IPMC的弯曲性能的变化，测试环境为空气中、20℃、相对湿度为45%，测试电压为正弦交流电压（2Ʊ 5 V，0Ʊ 1 Hz）。

3 实验结果与分析

3Ʊ 1 实验结果

常规两侧镀铂的1＃IPMC试样，单侧镀不同厚度铜电极的2＃、3＃和4＃IPMC试样，四种试样单侧镀铜的时间分别为0 min、2 min、4 min和6 min，如图2所示。4种试样的大小均为25 mm ×5 mm。

在扫描电镜（SEM）下对4种试样进行了观察。如图3所示，电镀0 min的1＃试样的铂层厚度为2Ʊ 28 μm，铜层厚度为0 μm；电镀2 min、4 min、6 min的2＃、3＃和4＃IPMC试样铜层的厚度分别为1Ʊ 01 μm、2Ʊ 59 μm、3Ʊ 80 μm。可以看出随着电镀时间的增加，电极厚度有也相应的增加。

对IPMC进行交流电压下的弯曲性能测试，激励电压为正弦交流电压2Ʊ 5 V，频率为0Ʊ 1 Hz，4种IPMC试样的测试结果如图5所示。

从测试结果图4可以看出，常规两侧镀铂的1＃IPMC试样在交流电压的驱动下，正向位移与负向位移的大小基本一致，没有单向弯曲的趋势；单侧镀不同厚度铜的2＃、3＃和4＃IPMC试样的位移情况发生了明显的变化，如图5所示，2＃、3＃和4＃试样的正向位移明显大于1＃试样的正向位移，且随着铜层厚度的增加，位移增大的幅度越大；2＃、3＃和4＃试样的负向位移相比1＃试样负向位移均有明显的减小，有单向弯曲的趋势。此外，对图3和图4中实验结果进行整理，分别计算出铜层与铂层厚度之比，以及对应样品的正向与负向最大位移之比，得到IPMC弯曲不对称性与镀层厚度的关系，如图5所示，随着铜层与铂层比值的增加，IPMC正向位移与负向位移比值不断增大，即弯曲不对称性越大，当铜层与铂层比值为2Ʊ 06时，引起IPMC弯曲的不对称最明显，正向位移与负向位移比值达到5Ʊ 05，趋于单向弯曲。

3Ʊ 2 分析

与常规两侧镀铂的IPMC相比，单侧镀铜后引起了位移不对称变化，IPMC试样向铂⁃铜复合电极层方向弯曲增大，向纯铂电极方向弯曲减小。引起这种变化的原因可能有以下两方面：1）单侧铜电极引起厚度的增加；2）单侧镀铜后铜电解形成铜离子引起基膜内可移动离子数量增加。

1）IPMC一侧位移减小的原因分析

IPMC致动机理是：在交流电场的作用下，IPMC基膜内可移动水合阳离子由阳极向阴极移动，引起阴极的水合阳离子增多，由于水合阳离子之间相互排斥，引起阴极部分膨胀，最终导致IPMC宏观上的弯曲［1⁃2］。实验制备的2＃、3＃、4＃IPMC试样，一侧为纯铂电极，另一侧为铂⁃铜复合电极。相比两侧为纯铂电极的1＃试样，单侧铜层的引入导致IPMC单侧的铂⁃铜复合电极的厚度和刚度比纯铂电极的更大。由力与变形的关系可知，在相同驱动力作用下，刚度越大，变形量越小。因此，在交变电压的激励下，当铂⁃铜复合镀层做阴极时，水合阳离子迁移到铂⁃铜复合镀层附近，水合阳离子间的排斥作用引起阴极膨胀，与常规两侧镀铂的IPMC相比，铂⁃铜复合镀层厚度增加会导致应变减小，最终导致IPMC向纯铂电极层方向位移减小。

2）IPMC另一侧位移增大的原因分析

在交变电压的激励下，当铂⁃铜复合镀层做阳极时，一方面，基膜内部水合阳离子迁移到纯铂电极附近，引起纯铂电极层的膨胀，而铂⁃铜复合电极层厚度的增加对纯铂电极层的膨胀影响不大，因而对IPMC位移影响较小；另一方面，当铂⁃铜复合镀层做阳极时，电极两侧会发生如下的反应［10］：

阳极反应：Cu（s）＋5H2O→Cu2＋·5H2O＋2e－

阴极反应：Cu2＋·5H2O＋2e－→Cu（s）＋5H2O

同时，Cu2＋·5H2O会在电场的作用下，从阳极迁移到阴极附近，Cu2＋·5H2O的迁移给IPMC基膜内部提供了更多的阳离子，从而为IPMC弯曲提供更大的动力。在交变电压的激励下，当铂⁃铜复合镀层做阳极时，在电场作用下，阴极附近（纯铂电极）有更多水合阳离子，从而IPMC向纯铂电极层位移增大。因此，Cu2＋·5H2O的迁移一定程度上造成IPMC向纯铂电极层方向更大的弯曲。

综上所述，单侧镀铜后一侧位移减小是由于镀铜后刚度的增加，另一侧位移的增加是由于单侧镀铜提供更多可迁移的阳离子。最终导致IPMC一侧位移减小，另一侧位移增加，引起弯曲不对称。

4 结论

IPMC铂电极表面单侧镀铜可以明显改变IPMC的输出位移；单侧镀铜后，IPMC一侧的位移减小，另一侧位移增大，且倾向于向铂铜复合电极层弯曲；当电化学镀铜的厚度增加到一定程度（3Ʊ 8 μm）时，即单侧铜层厚度与铂层厚度之比达到2Ʊ 06时，IPMC单向弯曲的趋势明显，正向最大位移与负向最大位移相差5倍，IPMC在交流电压驱动下趋于单向弯曲。

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（责任编辑：龙晋伟）

Realization of Unidirectional Bending of IPMC by Asymmetric Thickness of Electrode

WANG Maolin1，2，YU Min1，HE Qingsong1，LIU Zhigang1，2
（1．Institute of Bio⁃inspired Structure and Surface Engineering，Nanjing 200016，China；2．Institute of materials science and technology，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 200016，China）

Conventional Ionic Polymer⁃Metal Composites（IPMC）with symmetrical electrodes can produce reciprocating swing under the excitation of AC signal，but this single mode of motion limits its further development and utilization．To realize IPMC unidirectional bending，the asymmetrical e⁃lectrodes of IPMC was prepared by plating copper on one side of the Pt electrode，and the effects of asymmetrical electrodes on IPMC bending performance were investigated．The SEM results showed that the 1．01 μm，2．59 μm and 3．80 μm copper layers were electroplated on the surface of one side of the Pt electrode．The tip displacement measurement results showed that，under the excitation of the sinusoidal voltage signal，the IPMC with asymmetrical electrodes produced unidirectional ben⁃ding，and when the copper layer reached 3．80 μm，where the ratio of the thickness of the copper layer to the thickness of the platinum layer was 2．06，the maximum displacement of positive direc⁃tion was about five times that of the negative direction and the trend of unidirectional bending of the IPMC was obvious and tended to bend to the direction of the Pt⁃Cu electrode．

IPMC；flexible material；asymmetric thickness；unidirectional bending

TB381

A

1674⁃5825（2017）04⁃0541⁃05

2016⁃12⁃09；

2017⁃07⁃03

国家自然科学基金航天联合基金项目（U1637101）；国家自然科学基金（51605220，51175251）

王茂林，男，硕士研究生，研究方向为材料学。E⁃mail：1025997009＠qq．com