1. 研究目的与意义（文献综述）

离子聚合物金属材料ipmcs(ionic polymer-metal composites)是一种典型的软材料，在较低电压驱动下就可以实现较大变形^[1]。其结构由离子聚合物材料和附着在其表面的一层金属电极两部分构成。作为一种新型智能材料，ipmc与传统的压电材料相比，其显著优势在于类生物肌肉的亲和性柔软性、体积小质量轻、响应快寿命长、适用于潮湿环境等。在开发新型俘能器^[2]、传感-驱动一体化系统^{[3, 4]}、生物医学设备^{[5, 6]}、仿生机器人^[7-9]、微流控芯片^[10]、智能触控设备^[11]等方面有着广阔的应用前景。

ipmc作为驱动器的概念最早是由shahinpoor^{[12, 13]}提出的，此后学者们采用经验模型和基于第一性原理计算的模型理论研究了ipmc作为驱动器的内在机理。由于ipmc材料或结构具有多物理场耦合特征，在外载作用下，其内部的各种离子与机械变形相互耦合，离子的流动/扩散等传输特性也直接影响着结构的宏观力学行为，为了方便表述ipmc的宏观力学模型，学者们采用了许多近似和简化措施。现有的模型大致可以分为两类，第一类基于电流位移的经验公式，通常用等效电流表述，在模型中直接将总电流或驱动电压与输出的尖端位移关联。例如newbury 和 leo提出的等效电路模型^[14]；第二类是更为复杂的物理模型，在模型中直接将计算出的电荷和输出的变形和力关联起来，且常常只能得到数值解。例如gennes基于昂萨格关系(onsager relations)提出的模型^[15]，yamaue提出的耦合模型^[16]，chen和tan提出的结合物理模型的ipmc控制导向模型^[17]，pugal提出的pnp (poisson–nernst–planck)模型^{[18, 19]}等。此后又有不少学者在pnp模型基础上进行了研究^{[17, 20]} 对pnp模型进行了修正和发展。

目前，在力学框架下研究ipmc的工作还很少，国内外的研究主要集中在ipmc的制备方法，如何提高其力输出能力，作为致动器应用到具体设备等方面。但是在对致动模型和各类参数对其宏观变形影响的研究仍停留在基本模型和使用限元计算得到的数值解方面，缺少对具体结构的理论模型。本毕业设计主要是基于ipmc的基本方程，在力学框架下建立梁式ipmc驱动器的力-电-化耦合理论分析模型，研究几何参数、物理参数等对驱动器性能的影响。并采用有限元模拟结果验证理论模型的正确性和适用范围。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容：

1. 熟悉本模型中所涉及的物理量及其相关知识点。包括热力学，电化学，电动力学，弹性力学等
2. 学习有限元软件comsol mutiphysics，并学习本模型中所涉及物理量的物理接口模块。
3. 使用comsol mutiphysics建立物理模型，并研究在不同几何参数，频率和驱动电压下梁式结构的制动性能差别。
4. 依据现有文献中的模型，选取并理论计算梁式结构的响应表达式，并与仿真计算出的结果进行比较，分析建模是否合理及其适用范围。

技术方案：

软件方面：由于在ipmc中存在复杂的物理量耦合关系，使用comsol mutiphysics进行多物理场的耦合计算是合适的选择。拟采用半耦合的方式，使用comsol中的电流模块接口模拟电极区域，聚合物区域使用pde模块和电化学模块接口进行模拟，并在关于离子浓度和电荷分布等量计算后，利用电荷与体应力的关系将上述结果导入结构力学模块来建立随时间变化的梁变形的仿真。

3. 研究计划与安排

第一周：文献调研。

第二周：文献学习与翻译。

第三周：学习ipmc材料了解材料特性。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] oguro k, kawami y, takenaka h. bending of an ion-conducting polymer film-electrode composite by an electric stimulus at low voltage [j]. journal of micromachine society,1992, vol. 5(no. 1):pp. 27–30.

[2] cha y, shen l, porfir m. energy harvesting from underwater torsional vibrations of a patterned ionic polymer metal composite [j]. smart materials amp; structures, 2013, 22(5): 055027.

[3] tsugawa m a, leang k k, palmre v, et al. sectored tube-shaped ionic polymer-metal composite actuator with integrated sensor[c].asme 2013 conference on smart materials, adaptive structures and intelligent systems. 2013:v002t06a001-v002t06a001.