杜聰聰,付傲然,吳海宇,王 皓,崔 凡,王志國

(1.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院,上海 200240;2.上海航天設(shè)備制造總廠有限公司,上海 200245)

0 引言

微納衛(wèi)星指質(zhì)量介于10～100 kg 的衛(wèi)星[1]。隨著航天器發(fā)射低成本的要求和衛(wèi)星組網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的推動,微納衛(wèi)星憑借體積小、功耗低及低成本等優(yōu)勢,成為當(dāng)今航天領(lǐng)域研發(fā)熱點(diǎn),逐步應(yīng)用于氣象遙感、太空偵察等領(lǐng)域[2-3]。然而,衛(wèi)星尺寸的大幅度縮減對其能量供需和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出新挑戰(zhàn),需要采用功耗低、結(jié)構(gòu)緊湊的驅(qū)動元件替代傳統(tǒng)的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu),以完成微納衛(wèi)星的特定任務(wù)。

電活性聚合材料EAP 是一類在電場激勵下能發(fā)生特定大變形的新型材料,主要分為離子型和電場型[4],其中離子聚合物-金屬復(fù)合材料和介電彈性材料已得到初步應(yīng)用。例如美國國家航空航天局采用離子型EAP材料驅(qū)動特性,實(shí)現(xiàn)空間儀表盤的除塵清理[5]。在微納操作領(lǐng)域,有研究者提出了微納操作樣機(jī),能夠帶動末端探針實(shí)現(xiàn)二自由度運(yùn)動[6],以及EAP 可作為微型CCD 相機(jī)柔性透鏡驅(qū)動元件[7]。利用離子型EAP材料作為電致動彎曲的驅(qū)動元器件,其應(yīng)變甚至可達(dá)到40%[8],而導(dǎo)電聚合驅(qū)動電壓低,一般只需±0.1～2 V,能量轉(zhuǎn)化效率高。此外導(dǎo)電聚合物材料疲勞壽命長,氧化還原循環(huán)次數(shù)可達(dá)到106次[9]。

本文探索出一種可靠的離子型電活性聚吡咯聚合物材料的制備工藝,測定新材料的相關(guān)性能,并得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。基于該材料制備了具有特定形狀的電活性驅(qū)動元件。利用該驅(qū)動元件,設(shè)計(jì)了在外電場作用下具有一定運(yùn)動能力的機(jī)構(gòu),并制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。

1 材料制備與結(jié)構(gòu)特性

1.1 材料制備

離子型電活性聚吡咯(IEAP)材料內(nèi)部為對稱三明治夾心結(jié)構(gòu),中間為疏水性聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride,PVDF),兩側(cè)由外向內(nèi)依次為聚吡咯(Polypyrrole,PPy)和金箔(Au)。

聚吡咯電勢高(陽極)一側(cè)的膨脹和電勢低(陰極)一側(cè)的收縮使材料產(chǎn)生了橫向的壓力差,導(dǎo)致了材料整體向體積收縮(陰極)的方向彎曲,如圖1所示。在外界電場的作用下,通過IEAP 內(nèi)部發(fā)生電化學(xué)的氧化還原反應(yīng)造成了材料宏觀的彎曲變形,這種氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是導(dǎo)電聚合物的摻雜與脫摻雜過程。

圖1 IEAP材料的驅(qū)動原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the principle of IEAP

為了增加材料表面的導(dǎo)電性和電容性,對聚吡咯表面進(jìn)行鍍金,Au具有較好的延展性,適合驅(qū)動元件的大變形。另外,Au 作為惰性金屬,性質(zhì)穩(wěn)定,不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng),便于后續(xù)的電化學(xué)沉積。本文所采用的鍍金方案為電子束蒸發(fā)法,主要技術(shù)指標(biāo)見表1。電化學(xué)工作站在制備過程中施加大小恒定的電流,實(shí)現(xiàn)電化學(xué)沉積聚吡咯。當(dāng)正電位施加到電極時(shí),不溶性的導(dǎo)電聚合材料(PPy)沉積在陽極處。本文制備IEAP 材料的環(huán)境示意如圖2所示。

表1 電子束蒸發(fā)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Main technical indicators of electron beam evaporation system

圖2 IEAP材料的制備環(huán)境Fig.2 Preparation environment of the IEAP

本文試件采用是三電極法制備,將電化學(xué)工作站正極接基底PVDF 兩側(cè)的鍍金層,負(fù)極接不銹鋼絲網(wǎng),參比泡沫鎳電極浸入電解液中。將0.1 mol/L的吡咯單體與0.1 mol/L的Li+與TFSI-的混合溶液加入電解槽中。在-23 ℃的恒溫冰箱中冷卻30 min后,接入電流開始反應(yīng)。恒流法制備有效反應(yīng)面積為50 cm2,采用的電流恒定為5 m A,電流密度為0.1 m A/cm2。反應(yīng)完成后,將樣品在溶液中浸泡30 min 后取出,剪取30 mm×5 mm 和30 mm×10 mm 兩種矩形長條樣品作為IEAP驅(qū)動元件。

1.2 結(jié)構(gòu)表征

無水乙醇清洗去除驅(qū)動元件中含有的碳酸丙烯酯PC后,在45 ℃的真空環(huán)境下干燥處理12 h后,采用泰思肯公司(TESCAN)設(shè)計(jì)的MIRA3型號場發(fā)射掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy,SEM)來分析IEAPA 驅(qū)動器形貌特征。其中,電鏡在30 k V 下二次電子像分辨率為1.0 nm,在3 k V下為3.0 nm;電鏡的束流為2 p A～200 n A;探頭的面積為80 mm2;能量的分辨率為125 e V;元素檢測范圍為Be4-Pu94。

形貌特征如圖3所示,兩側(cè)為PPy層,中間多孔狀結(jié)構(gòu)為PVDF 層,Au 薄膜厚度為納米級,和PPy,PVDF材料厚度不是一個(gè)數(shù)量級,故分界線不明顯。兩側(cè)PPy層厚度基本一致,但PPy層外表面仍存在不平整區(qū)域,一定程度上影響驅(qū)動元件的機(jī)械性能。根據(jù)驅(qū)動元件厚度方向的形貌特征,后續(xù)建模與有限元仿真中,驅(qū)動元件厚度方向尺寸為：驅(qū)動元件PPy 層厚度約為30μm,PVDF 層厚度約110μm,Au層厚度為70 nm。

圖3 IEAP驅(qū)動元件厚度方向的形貌特征和結(jié)構(gòu)Fig.3 Topographical features of the thickness direction of the IEAP

1.3 電致特性測試

對30 mm×5 mm 和30 mm×10 mm 兩種尺寸的IEAP驅(qū)動元件進(jìn)行測試,對驅(qū)動元件兩端施加方波電壓,記錄通過驅(qū)動元件的電流和電荷量隨時(shí)間變化的曲線,及驅(qū)動元件的位移曲線,測試環(huán)境如圖4所示,其中圖的左半邊是測試所必需的硬件,右半邊是測試信號的波形圖,分別代表3個(gè)周期的電壓、電流和電荷量的數(shù)值變化。

在2種不同幅值的方波電壓下,測試2種不同寬度(5/10 mm)驅(qū)動元件的響應(yīng)。以30 mm×5 mm的IEAPA 驅(qū)動器的測試過程為例,測試的參數(shù)如下：施加的方波電壓周期為60 s,幅值為0.2 V,測得通過驅(qū)動元件的電流以及兩端電荷量隨時(shí)間變化如圖4的右部分所示。為了描述驅(qū)動元件的特性,從方波電壓剛開始變化的時(shí)刻為0時(shí)刻開始計(jì)時(shí),到下一次電壓反轉(zhuǎn)之前的這半個(gè)方波周期內(nèi),驅(qū)動元件位移達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間t x為

圖4 IEAP驅(qū)動元件的測試環(huán)境Fig.4 Test environment of the IEAP

式中：x t為t時(shí)刻的驅(qū)動元件末端垂直方向位移;x0和x0.5T分別為0時(shí)刻和0.5T時(shí)刻的驅(qū)動元件末端垂直方向位移。

在一個(gè)電壓變化周期內(nèi),4組測試的驅(qū)動元件的位移隨時(shí)間變化關(guān)系,如圖5所示。由圖可知：同一驅(qū)動元件,輸入方波電壓的幅值越大,則驅(qū)動元件的達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流所用的時(shí)間越長,達(dá)到穩(wěn)態(tài)位移所用時(shí)間越短;輸入同幅值的方波電壓,驅(qū)動元件的面積越大,驅(qū)動元件充放電的電流也越大,達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流所用的時(shí)間幾乎沒有變化,但達(dá)到穩(wěn)態(tài)位移所用時(shí)間變長。

圖5 4種情況下驅(qū)動元件末端垂直方向位移對比Fig.5 Comparison of vertical displacement of the end of the driving element in four cases

2 模型假設(shè)與參數(shù)標(biāo)定

2.1 模型假設(shè)與邊界條件

1)Au層厚度70 nm,遠(yuǎn)小于PVDF 層的厚度110μm 與PPy層的厚度30μm,仿真中忽略不計(jì)Au層對IEAP驅(qū)動元件結(jié)構(gòu)剛度影響。

2)在一定電壓范圍內(nèi),驅(qū)動元件的PPy 層因電壓產(chǎn)生的應(yīng)變與電壓大小呈線性相關(guān)[10]。相關(guān)研究表明：PPy彈性模量與電壓值正相關(guān),值介于20～180 MPa[11]。簡化建模,本文設(shè)定PPy彈性模量在-0.5～0.5 V 的外界電壓下為常數(shù)。

3)驅(qū)動元件的熱-結(jié)構(gòu)等效模型中,PVDF層的熱阻遠(yuǎn)大于PPy層熱阻,其中熱阻反映導(dǎo)熱材料對熱流傳導(dǎo)的阻礙能力,這保證有限元分析中驅(qū)動元件上下面之間是不發(fā)生熱傳遞,兩端加載恒溫邊界條件,保證整個(gè)PPy層溫度和加載的溫度一致。

4)溫度場是關(guān)于空間和時(shí)間的函數(shù),是一種多維的非穩(wěn)態(tài)溫度場。本文主要研究驅(qū)動元件的穩(wěn)態(tài)響應(yīng),將溫度場簡化只與空間有關(guān)。

2.2 熱力學(xué)等效模型

在有限元分析軟件中,并沒有能夠直接解決制備的驅(qū)動元件所對應(yīng)數(shù)學(xué)模型的功能塊[14]。但有限元軟件中包含了基于熱彈性理論的熱-結(jié)構(gòu)耦合分析,可以用熱應(yīng)變來等效電壓應(yīng)變,溫度場來等效電壓場,熱膨脹系數(shù)來等效電壓膨脹系數(shù)?；跓崃W(xué)等效模型的理論,構(gòu)建了本構(gòu)方程所需的性能參數(shù),從而能夠分析材料力電耦合過程[12]。針對驅(qū)動元件的溫度場分布,可將驅(qū)動元件作為一個(gè)沒有質(zhì)量交換只有能量交換的封閉系統(tǒng),系統(tǒng)中能量遵循熱力學(xué)第一定律[13],即

式中：Q為流入系統(tǒng)的熱量;W為系統(tǒng)對外界所作的功;ΔU為系統(tǒng)的內(nèi)能增量;W K為系統(tǒng)的動能增量;W E為系統(tǒng)的勢能增量。

在上述的系統(tǒng)能量中,并不考慮系統(tǒng)對外做功,同時(shí)認(rèn)為系統(tǒng)中的勢能和動能并無變化,則有W=W E=W K=0,得Q=ΔU。對于封閉系統(tǒng),流入系統(tǒng)的熱量等于系統(tǒng)內(nèi)能的增量。將其劃分為微小單元來描述其熱量傳遞過程,根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律,系統(tǒng)內(nèi)部的熱量傳導(dǎo)用熱傳導(dǎo)微分方程來描述。由于系統(tǒng)內(nèi)無內(nèi)熱源,故系統(tǒng)上的內(nèi)熱源q v=0。同時(shí)認(rèn)為材料的導(dǎo)熱系數(shù)是各項(xiàng)同性,則有

式中：λx,λy,λz分別為空間3 個(gè)方向上的導(dǎo)熱系數(shù)。進(jìn)一步簡化為拉普拉斯方程,即

式中：T=T(x,y,z)為系統(tǒng)內(nèi)部瞬態(tài)溫度場;ρ為系統(tǒng)材料的密度;c p為系統(tǒng)材料比熱容。

當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)有多種材料時(shí)需劃分為若干個(gè)子系統(tǒng),其中每個(gè)子系統(tǒng)的溫度分布均滿足拉普拉斯方程。再通過每個(gè)子系統(tǒng)之間的溫度邊界條件進(jìn)行整體分析。已知穩(wěn)態(tài)時(shí)刻系統(tǒng)邊界面上的溫度值作為第一類邊界條件,即：T|s=T|w。其中,T|S表示系統(tǒng)某一邊界面上的溫度值,T|w為給定的溫度值。在本研究中,將驅(qū)動元件兩端的電壓ΔV=1 V等價(jià)為ΔT=1 K[12],對邊界條件做出的等價(jià)。在兩端施加1 V 的電壓,相當(dāng)于在驅(qū)動元件模型的兩端添加2個(gè)第一類邊界條件,且上下兩端的溫度的差值為1 K。由于驅(qū)動元件由多種材料組成,宏觀上每種材料的電阻不同,故等效為傳熱模型后表現(xiàn)為每種材料的導(dǎo)熱系數(shù)不同。將總的系統(tǒng)分為若干個(gè)具有單種材料的子系統(tǒng)后,不同子系統(tǒng)具有不同的導(dǎo)熱系數(shù)。每個(gè)子系統(tǒng)之間若具有交接面,則交接面上邊界條件需滿足

式中：λ1,λ2分別為系統(tǒng)1和系統(tǒng)2的材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

基于以上所述原理,描述了驅(qū)動元件兩側(cè)輸入電壓與驅(qū)動元件靜態(tài)響應(yīng)之間關(guān)系。圖6所示是標(biāo)定材料參數(shù)的流程圖,首先是將材料的模型簡化得到理想的幾何模型,然后通過熱力學(xué)等效將電場對應(yīng)到溫度場。最后,將實(shí)際測得的多組驅(qū)動元件的力學(xué)響應(yīng),用于指導(dǎo)ANSYS 18.2有限元軟件仿真中參數(shù)的標(biāo)定,經(jīng)過調(diào)整參數(shù)使得實(shí)驗(yàn)與仿真的響應(yīng)結(jié)果相吻合。需要注意的是,所標(biāo)定得到的數(shù)值不具有實(shí)際的物理含義,是在ΔT=1 K 等價(jià)為ΔV=1 V 的假定下,擬合得到的參數(shù)。通過以上標(biāo)定,可得PVDF 的彈性模量EX1=5.81 MPa,PPy的彈性模量EX2=12.1 MPa,電壓膨脹系數(shù)β=α=0.25。

圖6 熱-結(jié)構(gòu)耦合模型等效分析示意圖Fig.6 Schematic diagram of thermal-structural coupling model

通過該方法得到的參數(shù),用于驅(qū)動元件在-0.5～0.5 V 電壓載荷下,在ANSYS有限元軟件進(jìn)行有限元仿真,所得的位移變化結(jié)果與實(shí)際驅(qū)動元件測試的位移結(jié)果有著較好的擬合效果,如圖7所示。實(shí)驗(yàn)和仿真的位移數(shù)據(jù)最大誤差為13.1%,平均誤差為9.3%,說明了使用該等效模型法描述PPy驅(qū)動元件的電-機(jī)械響應(yīng)的準(zhǔn)確性。

圖7 有限元仿真與實(shí)際試樣的末端位移Fig.7 Displacement of finite element simulation and the actual sample data

3 單、雙自由度機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

3.1 單自由度機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

遵循由簡到復(fù)雜的思路,先依據(jù)該驅(qū)動元件設(shè)計(jì)一種單自由度機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究。本文使用線徑0.1 mm的鉑絲纏繞的薄銅片固定在驅(qū)動元件器的連接端,使用寬度為5 mm 的聚乙烯單面膠紙將2個(gè)驅(qū)動元件連接,側(cè)向布置在水平坐標(biāo)紙上,忽略重力影響,連接示意如圖8所示。

在驅(qū)動器1,2兩端施加不同電壓,進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測定,實(shí)際位移和仿真對比如圖9所示。驅(qū)動器1兩端施加電壓為0.4 V,驅(qū)動器2兩端施加電壓為0.4 V,相應(yīng)地,在仿真中等效條件為驅(qū)動器1,2兩端施加0.4 K 和0.4 K 的溫度載荷,實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果如圖9(a)所示。同理,驅(qū)動器1兩端施加電壓為0.4 V,驅(qū)動器2兩端施加電壓為-0.4 V,驅(qū)動器呈現(xiàn)S型,如圖9(d)所示。

圖8 單自由度機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)Fig.8 Design of one-degree prototype

圖9 驅(qū)動元件1,2兩端施加不同電壓,樣機(jī)實(shí)際末端位移和仿真對比Fig.9 Prototype displacement comparison of experiment and simulation of different voltages

3.2 雙自由度機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

將4個(gè)IEAP 材料粘接在低剛度厚度為2μm聚乙烯薄膜表面,IEAP 兩側(cè)與小的銅片電極接觸并用鉑絲引出,如圖10所示,共有4個(gè)電壓輸入分別驅(qū)動4個(gè)IEAP 薄膜,通過電活性薄膜材料的彎曲和基底結(jié)構(gòu)耦合約束來實(shí)現(xiàn)二自由度位移輸出,構(gòu)成一種簡易二自由度機(jī)構(gòu)。

圖10 雙自由度機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.10 Two-degree freedom test prototype

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。由圖可見,通過控制二自由度機(jī)構(gòu)輸入電壓,可實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的末端位移按照特定指令進(jìn)行改變,4種位型實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對比,形狀趨勢大致擬合基本一致。但由于很多難以控制或消除的因素,如本身重力、所用聚乙烯薄膜剛度和所用鉑絲都會對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動精度造成影響。

圖11 二自由度樣機(jī)施加不同電壓,實(shí)際位移和仿真對比Fig.11 Prototype displacement comparison of experiment and simulation applying different voltages

4 結(jié)束語

本文介紹了IEAP材料的恒流法制備工藝和材料電致大變形的電化學(xué)原理,通過電鏡形貌掃描定材料厚度方向的幾何參數(shù)?；跓崃W(xué)理論,對IEAPA 驅(qū)動器建立熱-結(jié)構(gòu)耦合等效有限元模型,確定了模型的材料參數(shù)：PVDF 的彈性模量EX1=5.81 MPa,PPy 的彈性模EX2=12.1 MPa。在-0.5～0.5 V 輸入電壓下測試驅(qū)動元件的靜態(tài)電-機(jī)械響應(yīng),進(jìn)一步設(shè)計(jì)了單、雙自由度機(jī)構(gòu)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn),所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能較好與仿真結(jié)果相擬合。但由于受限于工藝手段和條件,對電-機(jī)械變形的標(biāo)定帶來一定影響,實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果的最大誤差為13.1%。以單驅(qū)動元件為例,0.5 V 電壓下,驅(qū)動元件末端的最大位移為9.7 mm。今后可以嘗試對結(jié)構(gòu)進(jìn)行鏤空設(shè)計(jì),在減小自重的基礎(chǔ)上,提高變形驅(qū)動的能力。該智能材料可應(yīng)用于太陽能帆板折展和太空微小礦物質(zhì)抓取等微操任務(wù),由于舍棄復(fù)雜臃腫的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu),因此在太空探索領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。