مدلسازی چندمقیاسی الکتروشیمی-مکانیکی پاسخ سریع عملگر کامپوزیت فلزپلیمریونی

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشیار، دانشگاه شهید بهشتی، دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط زیست تهران، ایران

2 دانشجوی کارشناسی، دانشگاه شهید بهشتی، دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط زیست تهران، ایران

10.22044/jsfm.2024.13532.3781

چکیده

نوار‌های کامپوزیت فلز پلیمر یونی (آی‌پی‌ام‌سی) عملگرهای بسیار نازکی به شکل یک کامپوزیت ساندویچی با یک پلیمر الکترواکتیو در وسط و دو الکترود فلزی در طرفین آن هستند. در این مقاله، تحلیل چندمقیاسی الکتروشیمی مکانیکیِ پاسخ زمانی عملگری یک نوار کامپوزیت آی‌پی‌ام‌سی انجام می‌گیرد. ابتدا پاسخ الکتروشیمیایی حرکت اولیه آی‌پی‌ام‌سی ناشی از نیروی الکترواستاتیکی، نیروی ویسکوز حرکتِ توده یونی در حلال زمینه پلیمر و نیروی نفوذ ناشی از پتانسیل غلظت توسط یک مدل هیدرولیکی استخراج می‌شود. روش‌های حل در حوزه مکان شامل تحلیل عددی اجزای محدود بر اساس فرمول‌بندی گلرکین، و در حوزه زمان، شامل روش انتگرال‌گیری اویلر می‌باشد. سپس، معادله انتقال حلال نوشته شده، و نرخ کرنش ویژه، و نرخ تغییرات لنگر خمشی عملگر آی‌پی‌ام‌سی بدست می‌آید. با استخراج میزان آبپوشی در لایه مرزی کاتد و آند، پاسخ جابجایی انتهای تیر تعیین می‌شود. نتایج حاصل از مدل با مطالعات پیشینِ دردسترس مورد مقایسه و اعتبار سنجی قرار می‌گیرد. نتایج، تناسب بین پاسخ عملگر آی‌پی‌ام‌سی و تحریک الکتریکی را بطور معقول نشان می‌دهد، و تایید می‌کند که مدل ارائه شده پیش‌بینی پاسخ سریع نوار آی‌پی‌ام‌سی را فراهم می‌کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Biddiss E, Chau T (2006) Electroactive polymeric sensors in hand prostheses: Bending response of an ionic polymer metal composite. Med. Eng. Phys. 28: 568–578.
[2] Shahinpoor M (1995) Micro-electro-mechanics of ionic polymeric gels as electrically controllable artificial muscles. J. Intell. Mater. Syst. Struct. 6(3): 307–314.
[3] Grimshaw PE, Nussbaum JH, Grodzinsky AJ, Yarmush ML (1990) Kinetics of electrically and chemically induced swelling in polyelectrolyte gels. J. Chem. Phys. 93(6): 62–72.
[4] Bar-Cohen Y (2004) Electroactive polymer (EAP) actuators as artificial muscles: reality, potential, and challenges. Second edn. SPIE Press, Washington.
[5] Jung W, Kang SS, Toi Y (2010) Computational modeling of electrochemical-mechanical behaviors of Flemion-based actuators considering the effects of electro-osmosis and electrolysis. Comput. Struct. 88(15–16): 38–48.
[6] Nemat-Nasser S, Li JY (2000) Electromechanical response of ionic polymer-metal composites. J. Appl. Phys. 87(7): 21–31.
[7] Nemat-Nasser S, Wu Y (2003) Comparative experimental study of ionic polymer metal composites with different backbone ionomers and in various cation forms. J. Appl. Phys. 93(9): 55–67.
[8] Nemat-Nasser S, Zamani S, Tor Y (2006) Effect of solvents on the chemical and physical properties of ionic polymer-metal composites. J. Appl. Phys. 99(10): 1–17.
[9] Nemat-Nasser S (2002) Micromechanics of actuation of ionic polymer-metal composites. J. Appl. Phys. 92(5): 2899–2915.
[10] Liu H, Han S, Li Y, Zhang M, Zhu J (2023) Deflection analysis of IPMC actuators under AC voltages using DIC method. Proc. SPIE. 12550.
[11] UI Haq M, Gang Z, Muhammad, Waqas H, Ur Rehman A, S.M A (2015) Deflection analysis of IPMC actuated fin of a fish like micro device. J. Biomimetics, Biomater. Biomed. Eng. 24: 97-104.
[12] Farid M, Gang Z, Linh Khuong T, Zhi Sun Z, Rizwan M (2014) Deflection analysis of Ionic Polymer Metal Composites (IPMC) actuators for bionic joints. Appl. Mech. Mater. 627: 251-253.
[13] Farid M, Gang Z, Linh Khuong T, Ur Rehman N, Adnan S (2015) Deflection simulation of Ionic Polymer Metal Composites (IPMC) actuators for bionic knee joints. Adv. Mater. Res. 1101: 459-462.
[14] SamPour S, Moeinkhah H, Rahmani H (2019) Electrochemical viscoelastic modelling to predict quasi-static and dynamic response of IPMC actuators. Mech. Mater. 138: 103172.
[15] Traver JE, Nuevo-Gallardo C, Rodríguez P, Tejado I, Vinagre BM (2022) Modeling and control of IPMC-based artificial eukaryotic flagellum swimming robot: Distributed actuation. Algorithms. 15(6): 181.
[16] Rao M, Tang F, Li Y, Chang LF, Zhu Z, Aabloo A (2022) Multi-physical modeling and fabrication of high-performance IPMC actuators with serrated interface. Smart Mater. Struct. 31(9): 095023.
[17] Gupta A, Mukherjee S (2021) Dynamic modeling of biomimetic undulatory ribbon fin underwater propulsor actuated by IPMC. Mater. Today: Proc. 44(1): 1086-1089.
[18] De Gennes PG, Okumura K, Shahinpoor M, Kim KJ (2000) Mechanoelectric effects in ionic gels. EPL 50(4): 513–518.
[19] Asaka K, Oguro K (2000) Bending of polyelectrolyte membrane platinum composites by electric stimuli: Part II. Response kinetics. J. Electroanal. Chem. 480(1–2): 186–198.
[20] Kim KJ, Tadokoro S (2007) Electroactive polymers for robotics applications: artificial muscles and sensors. First edn. Springer, London.
[21] Gong Y, Tang C, Tsui C, Fan J (2009) Modelling of ionic polymer-metal composites by a multi-field finite element method. Int. J. Mech. Sci. 51(11–12): 741–751.
[22] Tadokoro S, Yamagami S, Takamori T, Oguro K (2000) An actuator model of ICPF for robotic applications on the basis of physicochemical hypotheses. In: IEEE International conference on robotics and automation.
[23] Feng GH (2010) Numerical study on dynamic characteristics of micromachined ionic polymer metal composite devices based on molecular-scale modeling. Comput. Mater. Sci. 50(1): 158–166.
[24] Zhang L, Yang Y (2007) Modeling of an ionic polymer-metal composite beam on human tissue. SMS 16(2): 197–207.
[25] Toi Y, Kang SS (2005) Finite element analysis of two-dimensional electrochemical-mechanical response of ionic conducting polymer-metal composite beams. Comput. Struct. 83(31–32): 73–83.