第2章功能材料简介及其选择 3.0-3.2V。用电化学方法合成的聚苯胺基电化学电容器在水相电解液（电解质为 HBF4)体系中，能量密度达到27W.h.Kg,功率密度达到10kWKg',经过超万 次循环后，电化学活性损失小，但是循环性能不是很理想，经过1000次循环后，放 电容量损失了超过50%。 4离子导电聚合物 某些离子聚合物表面和一种导电介质（如金属）化合后，成为离子导电聚合物 (Ionic Polymer Metal Composites,PMC)。若施加给以一定的交变电场，会在聚合 物的内部产生大量的离子定向迁移导致IPMC的弯曲变形。PMC的制作是通过 一种具有离子交换能力的聚合物在金属的盐溶液中进行化学还原，进而在聚合物 表层得到以导电金属为主的微米级薄膜。 接触电极 忠子聚合物 离子聚合物 铂电极 OFF ON 图2.3离子导电聚合物驱动原理示意图 离子导电聚合物的性能：杨氏模量为0,1~2Mpa,剪切模量为0.05~1 Mpa,柏松比0.3-0.4，能量密度10-150mW/CC,最大直线位移4%，工作频率 上千赫磁，产生的最大力100倍于其自身的重量，密度1.9-2.3g/cm3。目前离子 导电聚合物与形状记忆合金一起成为水下仿尘推进研究的最主要两类智能材料。 但离子导电聚合物驱动力相对较小，另外其成本较高，使用寿命十分有限。 ●电磁流变材料 1947年Winslow2发现电流变效应，1948年Rabinow发现磁流变效应。电 (磁)流变效应广义上是指电（磁）流变液在电（磁）场作用下，表观粘度发生巨大变 化，甚至出液相转变为固相，能承受剪切，当剪切超过屈服应力时又能发生流动。 并且液固相的转变是可逆的，当撤去电（磁）场后又能从固相转变为液相。因为制 备的问题曾一度被冷落。近年来，随着制备技术的迅猛发展，电磁流变材料作为 一种新型智能材料再次受到广泛关注。通过使用纳米颗粒包裹，将电流变液的强 度提高到130KPa，己经接近甚至超过了磁流变液的强度。 磁流变液一般出铁磁性易磁化颗粒、母液油和稳定剂三种物质构成。将这三 种物质按一定的比例混合均匀即形成磁流变液。磁流变材料已发展成为出磁流变 6 液、磁流变泡沫、磁流变弹性体等组成的大家族。其中磁流变弹性在磁场控 7
第2章功能材料简介及其选择 I _… I' i I I一一 iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii 3．O．3．2V。用电化学方法合成的聚苯胺基电化学电容器在水相电解液(电解质为 HBF4)体系中，能量密度达到27W．h．Kg～，功率密度达到10kW．Kg"1，经过超万 次循环后，电化学活性损失小，但是循环性能不是很理想，经过1000次循环后，放 电容量损失了超过50％。 4离子导电聚合物 某些离子聚合物表面和-利0导电介质(如金属)化合后，成为离子导电聚合物 (Ionic PolymerMetal Composites，IPMC)。若施加给以一定的交变电场，会在聚合 物的内部产生大量的离子定向迁移导致IPMC的弯曲变形。IPMC的制作是通过 一种具有离子交换能力的聚合物在金属的盐溶液中进行化学还原，进而在聚合物 表层得到以导电金属为主的微米级薄膜。 接■电极 图2．3离子导电聚合物驱动原理示意图 ff3l 离子导电聚合物的性能～：杨氏模量为O．1～2 Mpa，剪切模量为O．05．--．1 Mpa，柏松比0．3．0．4，能量密度10．1 50 mW／CC，最大直线位移4％，工作频率 上千赫磁，产生的最大力100倍于其自身的重量，密度1．9．2．3 g／cm3。目前离子 导电聚合物与形状记忆合金一起成为水下仿生推进研究的最主要两类智能材料。 但离子导电聚合物驱动力相对较小，另外其成本较高，使用寿命十分有限。 ·电磁流变材料 1947年Winslow发现电流变效应～，1948年Rabinow发现磁流变效应。电 (磁)流变效应广义上是指电(磁)流变液在电(磁)场作用下，表观粘度发生巨大变 化，甚至由液相转变为固相，能承受剪切，当剪切超过屈服应力时又能发生流动。 并且液固相的转变是可逆的，当撤去电(磁)场后又能从固相转变为液相。因为制 备的问题曾一度被冷落。近年来，随着制备技术的迅猛发展，电磁流变材料作为 一种新型智能材料再次受到广泛关注。通过使用纳米颗粒包裹，将电流变液的强 度提高到130 KPa～，已经接近甚至超过了磁流变液的强度。 磁流变液一般由铁磁性易磁化颗粒、母液油和稳定剂三种物质构成。将这三 种物质按一定的比例混合均匀即形成磁流变液。磁流变材料已发展成为由磁流变 液、磁流变泡沫、磁流变弹性体等组成的大家族～。其中磁流变弹性在磁场控
第2章功能材料简介及其选择 制下，弹性体模量变化（剪切模量）相对量达50%，绝对量达0.6MP。需要注意 的是，电磁流变材料需要很高的电场或磁场来工作。 ●形状记忆合金 形状记忆合金(Shape Memory Alloy,简称SMA)是指具有形状记忆效应 (Shape Memory Effect,简称SME)的合金。它是一种集传感、驱动功能于一 身的多功能智能材料，输入热量就可以对外做功，在工程技术、医学领域中有广 泛的应用前景。 形状记忆合金（以下简称SMA)的力学特性用简单的话描述如下：SMA在 低温相下具有较小的屈服强度，很容易通过较小的外力使其产生一般金属无法达 到的大塑性变形，最高20%以上。当对其加热至高温达到逆相变终结温度以上 时，可以迅速、完全恢复到低温下塑性变形前的形状，并且在高温状念下，它的 屈服应力远高于低温时的应力。整个过程中，形状记忆合金不仅产生较大位移形 变，而且能输出较大恢复应力，对外做功。形状记忆合金主要分镍基、铜基和铁 基三大类。目前使用最广泛的是TNi基合金，其记忆特性稳定，记忆寿命长。 [断电时】 通电时】 T1H1含 金丝 低温下 伸长 收缩 拜砣 轩砣 图2.4一根合金丝能提起一个大种砣 形状记忆效应是在马氏体逆相变过程中发生的。温度一达到相变开始温度， 形状记忆效应就开始发生，温度到了相变结束温度，形状记忆效应也结束。在相 变的整个过程中，材料的变位量、变位过程所输出的回复力以及材料本身的内阻 都和温度有着一一对应的关系。形状记忆合金不仅能够作为驱动器对外做功，而 且可以对某一参数进行在线检测，充当传感器。SMA具有集驱动器与传感器于 一身的特色。作驱动器它在相变过程中产生的回复力很大，它的功重比（功率重 量比)要远远大于电机。 2.2功能材料性能对比分析 近年来，磁致形状记忆合金作为一种潜在的、具有高响应频率和大回复应变
第2章功能材料简介及其选择 制下，弹性体模量变化(剪切模量)相对量达50％，绝对量达0．6 MPa。需要注意 的是，电磁流变材料需要很高的电场或磁场来工作。 ●形状记忆合金 形状记忆合会(Shape Memory'Alloy，简称SMA)是指具有形状记忆效应 (Shape Memory Effect，简称SME)的合余。它是一种集传感、驱动功能于一 身的多功能智能材料，输入热量就可以对外做功，在工程技术、医学领域中有广 泛的应用前景。 形状记忆合金(以下简称SMA)的力学特性用简单的话描述如下：SMA在 低温相下具有较小的屈服强度，很容易通过较小的外力使其产生一般金属无法达 到的大塑性变形，最高20％以上。当对其加热至高温达到逆相变终结温度以上 时，可以迅速、完全恢复到低温下塑性变形前的形状，并且在高温状态下，它的 屈服应力远高于低温时的应力。整个过程中，形状记忆合金不仅产生较大位移形 变，而且能输出较大恢复应力，对外做功。形状记忆合金主要分镍基、铜基和铁 基三大类。目6订使用最广泛的是TiNi基合金，其记忆特性稳定，记忆寿命长。 【断电时】 【通电时】 已 T1Ni 舍金 t 壹童 -L 加热 T 升温 收缩个J I ’ 图2，4一根合金丝能提起一个大秤砣 形状记忆效应是在马氏体逆相变过程中发生的。温度一达到相变丌始温度， 形状记忆效应就开始发生，温度到了相变结束温度，形状记忆效应也结束。在相 变的整个过程中，材料的变位量、变位过程所输出的回复力以及材料本身的内阻 都和温度有着一一对应的关系。形状记忆合会不仅能够作为驱动器对外做功，而 且可以对某一参数进行在线检测，充当传感器。SMA具有集驱动器与传感器于 一身的特色。作驱动器它在相变过程中产生的回复力很大，它的功重比(功率重 量比)要远远大于电机。 2．2功能材料性能对比分析 近年来，磁致形状记忆合盒作为～种潜在的、具有高响应频率和大回复应变
第2章功能材料简介及其选择 的记忆材料受到材料学界的普遍关注。传统的形状记忆合金虽然输出应变大，但 因为温度升降使得响应频率很慢。与之相比，压电陶瓷和磁致伸缩材料响应频率 很快但输出应变却很小，目前性能最好的超磁致仲缩材料Terfenol-.D在易磁化方 向上的输出应变也仅为0.2%。 形状记忆合金具有如下的特点： 1.应力高（可达200MPa以上），可以获得很高的功重比： 2.相对较大的应变量(8~10%)，尤其是螺旋弹簧结构形式可以获得很高的 变形量。虽然聚合物凝胶和电介质(3MVHB4190)的变形能力更强，却受 到驱动电压太高或应力小的限制： 3,驱动器结构简单，具有直线方向直接驱动的特点，不需要变速机构： 4.无工作噪音，可大大减小因噪音被发现的可能性： 5.较低的驱动电压NTi:10一20V),只需要简单的电源和相应的控制硬件 即可，而压电陶瓷一般需要100V以上的电压： 6.具有柔顺驱动特征、生物相容性以及没有污染，使其更适合于仿生领域 的应用： 当然，SMA也存在一些缺陷，如重复驱动过程中，记忆性能上会逐渐退化、 很低的能量利用率、较低的工作响应频率等。 阁 表21几种驱动材料的基本特性比较 应力 最大应变 工作频率 工作电 效率 材料名称 (MPa) 量(%) (Hz） 压 (%) SMA 200 5-8.5 1 4-24V 3-10 150 Piezoelectric 35 0.09 >1000 MV/m Dielectric 2.4-16 200-215 239MV/m 60-80 (3MVHB4190) Elelcrostrictor 15-45 4-5 100000 120-150 9
第2章功能材料简介及其选择 iiiiiiii每= = = -- II——I…_—— "Jiiiiiiiiiiiiiiiii 的记忆材料受到材料学界的普遍关注。传统的形状记忆合金虽然输出应变大，但 因为温度升降使得响应频率很慢。与之相比，压电陶瓷和磁致伸缩材料响应频率 很快但输出应变却很小，目前性能最好的超磁致伸缩材料Terfen01．D在易磁化方 向上的输出应变也仅为0．2％。 形状记忆合金具有如下的特点： 1．应力高(可达200 MPa以上)，可以获得很高的功重比； 2．相对较大的应变量(8--10％)，尤其是螺旋弹簧结构形式可以获得很高的 变形量。虽然聚合物凝胶和电介质(3M VHB4190)的变形能力更强，却受 到驱动电压太高或应力小的限制； 3．驱动器结构简单，具有直线方向直接驱动的特点，不需要变速机构； 4．无工作噪音，可大大减小因噪音被发现的可能性； 5．较低的驱动电压州iTi：10--20V)，只需要简单的电源和相应的控制硬件 即可，而压电陶瓷一般需要100V以上的电压； 6．具有柔顺驱动特征、生物相容性以及没有污染，使其更适合于仿生领域 的应用； 当然，SMA也存在一些缺陷，如重复驱动过程中，记忆性能上会逐渐退化、 很低的能量利用率、较低的工作响应频率等。 【81【I 7】 表2．1几种驱动材料的基本特性比较 应力 最大应变 工作频率 工作电 效率 材料名称 (MPa) 量(96) (Hz) 压 (％) SMA 200 5-8．5 <l 4-24 V 3-10 150 PiezOelectric 35 0．09 >1000 MV／m Dielectric 2．4-16 200-215 7 239MV／m 60—80 (3M VHB4190) Elelcrostrictor 15—45 4-5 100000 120-150 9
第2章功能材料简介及其选择 Polymer MV/m (DVF-TRFE) Piezoelectric 150 1-4.8 0.02-0.1 >1000 MV/m 90 Polymer PDVF Ionic Polymer Gel 400 <1(12min) 6V (hydrogel) Ionomeric Polymer-Metal Composite 10-30 3.3-10 0.1-35 2-7V 30 (IPMC) Conductive Polymer 1.5-1.80.2-1.1 <30 2-10V (polyaniline) Scombrid Red 0.14 6 N/A 35 Muscle 上述几种功能材料性能比较分析如表21所示。据文献研究发现：尽管 提高运动频率能够增加推进速度，然而对于一般生物体而言，受其自身生理条件 限制，运动频率仅局限在很小的范围，如鳐科鱼类波动频率范围为1.71~0H 之间，鲹科加新月型尾鳍推进模式其摆动频率在0.7~2.5Hz之间；文献关于 波动鳍的实验研究同样发现，在最优组合条件下各个参数才能产生最佳的推进效 果；压电陶瓷和磁致仲缩材料响应频率高达千赫磁，却不适合作为波动鳍驱动器， SMA在良好的加热与冷却条件下可以达到足够的响应频率。此外，SMA的相变 过程还具有非线性、滞后等特性，给它的应用带来不便之处。虽然如此，针对目 前应用范围并和现有其它功能材料相比，形状记忆合金具有最佳的综合性能，因 10
第2章功能材料简介及其选择 -- II Polymer MV／m (DVF-TRFE) Piezoelectric 1-4．8 0．02—0．1 >1000 150 Pol ymer PDVF MV／m 90 Ionic Polymer Gel 400 <<l(12min) 6V (hydrogel) Ionomeric Po l ymer——Metal Composite 10-30 3．3一lO O．1-35 2-7 V 30 (IPMC) Conductire Polymer 1．5一I．8 O．2一1．1 <30 2一10 V (polyani line) Scombrid Red 0．14 6 l N／A >35 Muscle ● 提高运动频率能够增加推进速度，然而对于一般生物体而言，受其自身生理条件 限制，运动频率仅局限在很小的范围，如鳐科鱼类波动频率范围为1．71～3．90 Hz 之问，黪科加新月型尾鳍推进模式其摆动频率在0．7～2．5 Hz之问；文献 关于 波动鳍的实验研究同样发现，在最优组合条件下各个参数才能产生最佳的推进效 果；压电陶瓷和磁致伸缩材料响应频率高达千赫磁，却不适合作为波动鳍驱动器， SMA在良好的加热与冷却条件下可以达到足够的响应频率。此外，SMA的相变 过程还具有非线性、滞后等特性，给它的应用带来不便之处。虽然如此，针对目 前应用范圈并和现有其它功能材料相比，形状记忆合金具有最佳的综合性能，因 lO
第2章功能材料简介及其选吊 此本文将选择SMA来作为改进型波动鳍驱动源。 l
第2章功能材料简介及其选扦 iI——————————————I——I———————一一_一_一I宣I iii置iiii宣iiiiiiii宣iiii 此本文将选择SMA来作为改进型波动鳍驱动源