Ioonpolümeer-metallkomposiit

Ioonpolümeer-metallkomposiit (lühendina IPMK) on sünteetiline komposiitmaterjal, mis elektrivoolu rakendamisel reageerib kui tehislihas. IPMK-d koosnevad sellistest ioonpolümeeridest nagu Nafion või Flemion, mille pindmine kiht on kaetud elektrijuhtidega nagu plaatina või kuld. Komposiiti painutavad elektri mõjul (1–5 V) ioonide liikumine ja elektrostaatiline vastasmõju. IPMK-d on üks elektroaktiivsete polümeeride alaliik. Alternatiivselt käituvad IPMK-d kui sensorid või "targad materjalid", kuna surve rakendamisel ainele tekib vastavalt painutusel materjali pinnal teatud mõõdetav pinge. IPMK tüüpi aktuaatoritel leidub vähe kasutust, kuna nad on veel võrdlemisi uued ning neid liigitatakse üldjoontes aktuaatorite hulka. Selle tulemusel on neist aeglase liikumise ja väikese surujõu tõttu nõudlikumates süsteemides vähe kasu. Teiseks on vajalik säilitada ioonide liikuvus, kasutades näiteks hüdraatimist. Kõrgematel pingetel tekivad küll suuremad painutused aines, kuid pingetel üle 1,23 V toimub vee elektrolüüs, mis mõnevõrra piirab rakendatavat pinget. Ioonpolümeer-metall komposiidid on eripärased elektroaktiivsetest polümeeridest koosnevad muundurid, mis surve või mõnda muud tüüpi mehaanilise jõu korral tekitavad komposiidi pinnale paigutatud elektroodidel teatud pinge. IPMK-d käituvad ka kui aktuaatorid, kuna võrdlemisi madala elektrivälja (~10 kV/m) rakendamisel aine pinnal on antud komposiidid võimelised suuresti painduma (pilt 1.0b). Survel tekkiv pinge on aga kümneid kordi väiksem kui samaväärse painutuse saavutamine elektrivälja rakendamisel komposiidile. Seega on IPMK-del potentsiaali olla nii energiamuundurid kui ka aktuaatorid. 1993. aastal tutvustas K. Oguro IPMK-d esimest korda kui elektroaktiivset polümeeri. Sellest ajast alates on IPMK-dele oluliselt rohkem tähelepanu pööratud, kuna tuleviku mõttes on tegu võrdlemisi lootustandva ning kergestikasutatava aktuaatori või sensori / muundurina, eriti biorobootika valdkonnas. Piesomaterjalid on võrreldavad IPMK-dega, kuna nad käituvad elektri mõjul samamoodi. Pinge võib olla minimaalselt ca 10 millivolti, et tekiksid esimesed nihked. Kuna efektiivsed pingepiirkonnad võivad olla niivõrd väikesed, võib IPMK-d edukalt kasutada väga täpse sensorina. Aastal 2000 tutvustas P.G. De Gennes et al. kahte lineaaralgebralist pöördumatut termodünaamika võrrandit, mis kirjeldavad tüüpilise IPMK käitumist. Mudel on lihtne seletus sellele, kuidas toimivad materjali muundur- ja aktuaatoromadused, kasutades lineaarskaalat ja staatilisi tingimusi. Kaks võrrandit seletavad lineaarset suhet laengu liikumise (voolutihedusega J) ja lahuse transpordi (vedeliku voog Q) vahel, et kirjeldada ioongeelide elektromehaanilist ühildumist. J = σE – L12∇p (Võrrand 1.1) Q = L21E – K∇p (Võrrand 1.2) Võrrandid 1.1 ja 1.2 seovad elektrivälja E ning surve gradiendi ∇p – kaks peamist jõudu, millest sõltub IMPK käitumine. Need võrrandid aitavad mõista, kuidas töötab IPMK tehislihase liikumine nii elektrivoolu rakendamisel (aktuaator) kui ka vastupidist efekti (sensor või muundur). Tuleb võtta arvesse, et need P.G. De Gennese võrrandid on staatilisele mudelile. Teiseks σ, L12 (= L21) ja K on vastavalt elektriline juhtivus, ristkoefitsient ja läbitavus. IPMK-sid on arendatud aktuaatorite, sensorite ja kontrollstruktuuridena, kuid neid leidub ka mujal. Uusim IPMK tootmistehnika sisaldab kahte valmistusprotsessi: algne komposiidi valmistamine ja pinna elektroodimise protsess. Algne valmistamise protsess nõuab õiget plaatina soola (Pt(NH3)4HCl) keemilise reduktsiooni (söövitamise) jaoks. Protsessi eesmärgiks on katta materjali sisemine pealiskiht metalliga (tavaliselt Pt nanoosakesed) keemilise reduktsiooni teel. Ioonvahetuspolümeer kastetakse soolalahusesse, et lasta plaatina kihil imbuda läbi ioonvahetuspinna. Hiljem kasutatakse tugevamat söövitamisagenti (LiBH4 või NaBH4), et katta pind ühtlase plaatina kihiga. Katsetes on täheldatud, et plaatina kiht on maetud paar mikronit (tüüpiliselt 1–10 μm) IPMK ioonvahetusgeeli pinna alla. Elektronmikroskoobi pilt IPMK ääre peal näitab, et suurem plaatina molekulide tihedus on pinna elektroodide juures. Kuigi traditsioonilised söövitamise või reduktsiooniprotsessid on efektiivsed IPMK-de valmistamisel, on nad üsnagi kulukad, kuna kasutatakse väärismetalle, nagu plaatina, kuld, pallaadium jne. Samuti on kallid töötlemisprotsessid. Et IPMK-sid teiste aktuaatorite või sensorite hulka liigitada, tuleb neid oluliselt odavamalt toota. Üks viis selleks on lihtsustada komposiitimise ja elektroodimise protsessi. Peamine odavamate IPMK-de tootmise idee on algul füüsiliselt laadida elektrit juhtiv pulber polümeerivõrgu sisse, moodustades hajutatud pinna, mis funktsioneerib kui peamine juhtiv meedium pinnal. Et kinnitada meedium veel paremini polümeerivõrgustiku sisse, kaetakse pind keemiliselt pallaadiumi- või plaatinaosakestega, et nii primaarne kui ka sekundaarne kiht oleksid imbunud polümeerivõrgustiku sisse. Edasi kasutatakse galvaanilist katmist, et ühtlustada kogu juhtiv pind. See moodustab materjali peamise efektiivse elektroodi. Detailsemalt on protsessid kirjas M. Shahinpoori ja K. J. Kimi töös. Füüsilise laadimise meetodit on põhjalikumalt käsitletud D. J. Leo ja tema kaastöötajate töös. Nad kasutasid suurt pindala ja väikesemahulist metalli, et saavutada madalatel sagedustel kõrge mahtuvus. Kui viia õhus läbi katse, mis näitab venitatud materjali dünaamilist analüüsi täielikult puhastatud Nafion-polümeerkile jaoks ja töödeldud nikliga IPMK jaoks, siis venitatuna on nikliga töödeldud IPMK-l suurem jäikus kui täielikult puhastatud Nafionkilel. Käsitledes IPMK elektrilisi omadusi, tuleb kasutada standardset vahelduvvoolu impedantsi meetodit. Tüüpiline mõõdetud impedantsi graafik näitab materjali impedansi (takistuse) sõltuvust sagedusest. Huvitav tähelepanek: IPMK-d on peaaegu lõpmata suure takistusega kõrgetel sagedustel ja võrdlemisi elektrit juhtivad madalatel sagedustel. Ülemiste tulemuste põhjal võib koostada tüüpilisest IPMK-st samaväärse lihtsustatud elektriskeemi. Sellistes tingimustes on eeldatud, et iga elektriskeemi ühik on ühendatud jadamisi tühiste pinnatakistite külge. Selline lähenemine põhineb eksperimentaalsetel katsetel, kus mõõdeti pinnaelektroodide takistust erinevates tingimustes. Eeldame, et igas elektriskeemi ühikus on neli komponenti: pinnaelektroodide takistus (Rs), polümeeri takistus (Rp), ioonpolümeeri ja kahe pinnaelektroodkihi vaheline mahtuvus (Cd) ja impedants (Zw), mis tekib laengute liikumisel pinnaelektroodi läheduses. Elektromehaanilised omadused on üldiselt tingitud rakendatavast jõust ja materjali liikumisest (nihkest). IPMK paremale otsale pannakse väike raskusmuundur (mõõdab raskust) ja teatud mass ning vasaku serva külge ühendatakse vooluallikas ja hoitakse paigal. Reageeriv jõud ehk aktuaatorjõud paremal on genereeritud elektrivälja poolt. Kui materjali parem ots on nihkunud teatud pikkuse (s) võrra, registreeritakse liikumine vastavalt rakendatud elektrivoolule ning korratakse katset suurema nihkumisega. Viimasena mõõdetakse IPMK liikumine ilma raskuseta. Tulemuste alusel koostati jõu ja nihkumise suhe ning erinevad tulemused vastavalt rakendatud pingele (2 V ja 3 V). Kirjeldatakse ka maksimaalsed nihkejõud ning vastavad nihked. Katsematerjaliks oli Nafioni põhjal valmistatud liitium-ioon IPMK, mille pind oli kaetud plaatinaga. IPMK aktuaatori pikkus oli 20 mm, laius 5 mm ja paksus 0,3 mm. Pneumaatilisi ja mootorajamiga aktuaatoreid on laialdaselt integreeritud ja kasutatud lennutööstuses ning samuti tööstusrobotite valdkonnas. Samas pole sellised aktuaatorid kuigi hästi kasutatavad väikeste või lausa mikroskoopiliste lennu- või maismaarobotite ehituseks, kuna nad on kas füüsiliselt liiga suured või süsteemselt liiga keerukad. Samuti pole tööstusaktuaatorid sobivad jäljendamaks lindude või putukate lendamisliigutusi. Mikroroboteid ning IPMK-sid kasutades on võimalik luua süsteeme, mis suudavad edukalt jäljendada ja lennata, nagu linnud või putukad. See kombinatsioon on vägagi kasulik just oma suuruse ning manööverdusvõime mõttes. Elektroaktiivne polümeer, nagu IPMK, on hea kandidaat sellise ülesande täitmiseks, kuna ta on kerge kaaluga ning võimeline looma suuri deformatsioone (nihkeid), rakendades võrdlemisi madalat elektrivoolu. Linnud ja putukad suudavad tõusta ning oma liikumist suunata samaaegselt, kuna nende tiivad on võimelised liikuma üles-alla ja pöörduma ühe tõuke ajal. Samaväärse manööverdamisvõime saavutamiseks peaksid sellised robottiivad suutma jäljendada samasugust käitumist. Samuti on linnu tiiva ots tipukujuline võrreldes ülejäänud tiivaga. See vähendab tiiva vastupanu, kui ta liigub üles-alla, kuna tiib nagu "lõikaks" läbi õhu. Seetõttu peaks ka sellisel mikrorobotil olema samasugused tunnused, nagu lindudel ja putukatel looduses. IPMK-d on võimelised sellega hakkama saama, kui nad on eelnevalt selle jaoks disainitud. Kuna linnud peavad liigutama oma tiibu üles-alla ja samuti neid lennu ajal pöörama, et ennast suunata, on IPMK aktuaatoritele disainitud asümmeetriline kuju. Tuleb tähele panna, et kahe tiiva pindalad on jäetud samaks, et neid oleks kergem testida ja tulemusi analüüsida. Tiivad on valmistatud õhukesest polümeerkilest. K.J. Kim, W. Yim, J.W. Paquette, and D. Kim, "Ionic Polymer-Metal Composites for Underwater Operation", Journal of Intelligent Materials Systems and Structures (JIMSS), (2006, in print). K. Oguro, K. Asaka, and H. Takenaka, "Actuator Element", U.S. Patent #5,268,082, (1993). P.G. de Gennes, K. Okumura, M. Shahinpoor, and K.J. Kim, "Mechanoelectric Effects in Ionic Gels", Europhysics Letters, Vol. 50, No. 4, pp. 513–518 (2000). S. Nemat-Nasser, "Micromechanics of Actuation of Ionic Polymer-Metal Composites", Journal of Applied Physics, Vol. 92, No. 5, pp. 2899–2910 (2002). M. Shahinpoor and K.J. Kim, "Ionic Polymer-Metal Composite-IV: Industrial and Mechanical Applications", Smart Materials and Structures, Vol. 14, 197–214 (2005); M. Shahinpoor and K.J. Kim, "Ionic Polymer-Metal Composites: III. Modeling and Simulation as Biomimetic Sensors, Actuators, Transducers, and Artificial Muscles, Smart Materials and Structures", Vol. 13, pp. 1362–1388 (2004); K.J. Kim and M. Shahinpoor, "Ionic Polymer-Metal Composites – II. Manufacturing Techniques, Smart Materials and Structures", Vol. 12, No. 1, pp. 65–79 (2003); M. Shahinpoor and K.J. Kim, "Ionic Polymer-Metal Composites – I. Fundamentals, Smart Materials and Structures", Vol. 10, pp. 819–833 (2001). M. Shahinpoor and K.J. Kim, "A Novel Physically-Loaded and Interlocked Electrode Developed for Ionic Polymer-Metal Composites (IPMCs)", Sensors and Actuator: A. Physical, Vol. 96, No. 2/3, pp. 125–132 (2002). M.D. Bennett and D.J. Leo, "Ionic Liquids as Solvents for Ionic Polymer Transducers", Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 115. pp. 79–90 (2004). D.E. Alexander, "Nature’s Flyers", Chapter 4. London, The Johns Hopkins University Press (2003).