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作者：卞侃熊克朱程燕顧莉莉陳騏單位：南京航空航天大學機械結構力學及控制國家重點實驗室上海飛機設計研究院飛控系統研究部
SEM微觀形貌及EDAX線掃描結果
所示為SEM觀察的23℃下制備的Ag-IPMC試樣表面和橫截面形貌。由于進行多次還原反應，離子交換膜表面形成一定的厚度的Ag金屬層，但Ag與離子交換膜的結合能力有限，金屬層呈片狀開裂，開裂的紋理與粗化時產生的紋理相吻合。從橫斷面可以看出，大部分表面電極與離子交換膜基體已基本分離，有小片區域連接形成虛接觸。在離子交換膜表面殘留很薄的一層金屬銀。
V112VC810uF圖4為10℃時制備的Ag-IPMC微觀形貌。可以看出，試件表面較為平整沒有出現明顯的電極翹曲和剝離，表面電極依照粗化時形成的紋理產生細小的裂縫。從橫斷面可以看出，表面電極與離子交換膜結合較為緊密，小部分區域有開裂跡象。圖5所示為Ag-IPMC橫斷面EDAX掃描結果。可以看出23℃時制備的Ag-IPMC試樣電極總厚度為~10μm，其中外電極厚度為~6μm，內電極厚度為~4μm；10℃時制備的Ag-IPMC的電極總厚度為~13μm可以明顯看出外電極厚度為~8μm，過渡電極厚度為~5μm。對比圖3、圖4以及圖5可以看出，反應溫度為10℃時Ag-IPMC試樣較反應溫度為23℃時的樣件具有更好的沉積效果，試樣外電極的開裂現象得到有效抑制，在一定程度上緩解了Ag-IPMC外電極剝落的缺點并提高了外電極的連續性。通過降低反應溫度可以在一定程度上提高Ag-IPMC內、外電極的厚度，其中外電極厚度增加約34%，內電極厚度增加約25%。由以上結果分析可知，（1）反應溫度降低可以減緩Ag在離子交換膜表面的沉積速度，從而延緩離子交換膜表面致密金屬Ag層的形成，使更多的葡萄糖分子進入離子交換膜內部成為可能。離子交換膜內部的Ag+離子更多的還原為金屬Ag原子不但增加了內電極的厚度也為外電極的形成提供了更多的附著點；（2）反應過程用時較長，銀氨溶液不穩定易析出沉淀，這些沉淀附著在離子交換膜表面從而影響外電極的沉積效果，反應溫度的降低在一定程度上提高了銀氨溶液的穩定性；（3）外電極連續性和致密性的改善，可在一定程度上抑制材料內部活性水合因子的散失，從而提高材料的力電耦合特性。
傳感電壓
10℃時制備的Ag-IPMC試樣具有更好的微觀形貌特征，并且內、外電極的厚度及連續性也得到不同程度的改善，因此用于測試Ag-IPMC傳感特性的試樣的制備溫度采用10℃。圖6為三種不同厚度的Ag-IPMC試樣在5Hz時經放大后的傳感電壓，傳感電壓與激勵信號波形吻合呈正弦波型。單個周期內傳感電壓具有穩定的峰峰值和規整的波形，通過對比可以看出，隨著試樣厚度的增加傳感電壓波形趨于平穩，且最大傳感電壓Um（峰峰值）相差不大（見表1）。
隨著時間的推移，三種試樣的傳感電壓均出現逐漸升高的趨勢，其中0.2mm的試樣升高較為迅速，0.4mm與0.8mm試樣的升高速率大致相當且明顯小于0.2mm試樣。這種傳感電壓的升高現象是由于材料暴露在空氣中失水從而導致材料變形而產生偏置電壓，偏置電壓的產生在測試時間內沒有改變材料的傳感特性，材料被動變形產生的電壓差在相對時間內仍保持不變。圖7為Ag-IPMC試樣在120s內的偏置電壓，材料在未受外力激勵的狀態下即有一個直流偏置（150mV~170mV），隨著測試時間的推移，偏置電壓呈二次多項式型增長且趨于平坦并逐漸穩定，增長速率隨試樣厚度的增加而減小。分析引起材料產生偏置電壓的原因為：（1）材料在制備過程中由于金屬顆粒的生長引起材料內部產生內應力從而使材料產生變形；（2）材料在測試過程由于外場（重力場）作用而引起微小變形；（3）材料在空氣中失水而產生的變形及內部電荷密度的改變。其中（1）和（2）為產生起始直流偏置的主要誘因，而偏置電壓的變化特性則與材料的失水特性相吻合。圖8為三種試樣在不同激勵頻率下的最大傳感電壓。可以看出，Ag-IPMC在1Hz以下具有較高的傳感電壓，當激勵頻率超過1Hz時其傳感電壓迅速下降，并相對穩定，當超過9Hz時，傳感電壓又出現上升趨勢；排除奇異點后，三種試樣的最大傳感電壓分別出現在0.2mm-0.3Hz，0.4mm-0.6Hz，0.8mm-0.65Hz附近；隨著試樣厚度的增加Ag-IPMC的傳感電壓呈上升趨勢，0.8mm的最大傳感電壓約為0.2mm的10倍。
Ag-IPMC的傳感靈敏度
采用不可逆熱力學理論來描述IPMC材料內部的離子傳輸過程，IPMC的傳感數學模型可以表示為式中E-IPMC兩極間的電場強度，vp-IPMC的泊松比，-外加彎矩，h-材料厚度，L-材料長度。可以看出，IPMC的輸出電壓與外加力矩呈線性關系。
由IPMC的傳感機制可知，材料的變形引起材料內部可移動陽離子的遷移，從而引起內部的電荷密度改變使得材料兩電極間產生電勢差。由公式（2）可以看出，IPMC的輸出電壓與外加彎矩即材料變形程度有密切的關系。由材料力學可知，曲率C與彎矩的關系為其中Y-楊氏模量，Iz-慣性矩。據此設定Ag-IPMC的靈敏度為圖9為0.8mm厚的Ag-IPMC試樣在9Hz激勵下的傳感電壓及末端位移。與低頻激勵比較可以看出Ag-IPMC在高頻激勵下傳感電壓的波形更為工整，但在電壓峰值處有微小的失真，結合末端位移的變化規律可以解釋為：在高頻激勵下激振器在達到最大行程時由于速度過快會引起激振頭的反沖，致使位移在極限點附近產生擾動，從而引起傳感電壓的失真。由于實驗器件自身的原因，傳感電壓和位移在接近峰值時均會產生擾動，特別是在高頻情況下這種現象更為明顯。為了降低這種因實驗器材對靈敏度的影響，標定靈敏度時，傳感和位移數據選擇除去波峰（谷）處的相對平滑的對應部分。
圖10為三種試樣在不同頻率下的靈敏度曲線。可以看出，三種厚度的Ag-IPMC試樣均在小于1Hz的范圍內具有較高的靈敏度，靈敏度峰值出現在0.6Hz~0.8Hz之間，其數值為其它頻率下靈敏度的5~6倍，三種試樣靈敏度峰值分別出現在：0.2mm-0.65Hz,0.4mm-0.7Hz以及0.8mm-0.65Hz；隨著厚度的增加靈敏度峰值增長明顯，0.8mm試樣的靈敏度峰值約為0.4mm的2.5倍，0.2mm的20倍（見表2）
結論
（1）反應溫度對Ag-IPMC電極沉積效果具有較大的影響。比較10℃和23℃兩種反應溫度，較低的反應溫度可有效改善材料表面電極金屬的沉積效果，抑制外電極的剝落和翹曲現象，并增加材料的內、外電極厚度，提高外電極的附著能力和內電極連續性。
（2）對材料輸出電壓測試結果表明，材料在未受外力（場）時，由于材料在制備過程中Ag顆粒生長引起的內應力使材料產生微小變形，從而破壞材料內部的電荷密度引起材料兩側電極間存在一個較大的電勢差。
（3）三種試樣的傳感電壓和傳感靈敏度測試表明，材料在0.6~0.7Hz的激勵頻段具有較高的傳感電壓和傳感靈敏度且厚度大的Ag-IPMC試樣具有更好的傳感能力。當激勵頻率超過1Hz時，傳感電壓和傳感靈敏度急劇減小。