0引百微致动器是微机电系统（MEMS）的重要元件。
过去用作致动器的智能材料主要有形状记忆合金（SMA）、压电陶瓷（PZT）、电（磁）流变液和超磁致伸缩材料等1121.这些材料用作致动器，各有优缺点。离子交换聚合物金属复合结构（IPMC）是一种新型智能材料。它是由离子交换膜和用化学方法涂镀在膜片两面的贵金属（通常为铂、金或银等）组成的电极构成的。按膜片交换离子的性质可分为阳离子交换型和阴离子交换型134.IPMC是一种电激活材料，由于它构成的致动器结构简单不需要传统的机械运动部件，在低电压（小于1.能产生较大的变形量和较高的力密度，在某些用例中产生的力超过其本身重量40倍151，这种致动器如塑胶般柔软和坚韧，可在一定尺寸范围内很容易地分割成所需的形状，在潮湿的环境下工作良好，通过成囊封装技术处理，在干燥环境下也能工作6.本研究选择了离子交换聚合膜与金属复合结构中的阳离子交换型氟基聚合膜-铂结构作为研究对象。经大量试验，成功制造出致动器样品。
基金项目：国家自然科学基金资助项目（50377022）针对所构造的样品测试，获得了该致动器的一些基本特性。
1IPMC致动机理及特性IPMC的致动机理比较复杂，涉及电能、化学能和机械能的相互转换。尽管目前IPMC的致动机理还没有完全定量地揭示出来，但通常认为是IPMC内部的固有离子和通过化学方法置换的离子及附着在这些离子上的溶液分子在电场感应下相互作用的结果17.以阳离子交换型IPMC为例，其基膜Nafion117是一种全氟离子交换膜具有较高的离子传导率，能吸收大量极性溶液（如水）。其内部结构具有固定的阴离子带电网链，可移动的阳离子能够通过网链迁移或扩散。
当横跨膜片外加电场时，在库仑力的作用下，可移动的水合阳离子（夹带水分子）向阴极积聚，使得膜片靠阴极的一面膨胀，靠阳极的一面收缩，产生向阳极方向的弯曲变形（阴离子交换型IPMC则相反），如、所示，其中a和a为初始状态，b和b为施加电场后的效果。
机电效应可以用两种形式的迁移，即离子迁移（具IPMC在电场作用下的弯曲效应有电流密度垂直于膜片）和溶剂迁移（具有流量Q）来简单描述。共点力包括电场E和压力梯度-Vp根据线性不可逆热力学理论给出了标准Onsagei公式：式（1）、式（2）为理解IPMC的致动原理提供了基本的理论依据，同时也说明IPMC具有传感作用。
入的研究，并对其他研究者提出的几种模型进行了修正。他们假定IPMC致动器在施加电场时内部电流由三部分组成，即由阳离子向阴极迁移引起的离子电流（这是IPMC致动的主要因素），由IPMC金属电极和膜片组成的类似平板电容器结构所产生的位移电流和两个电极之间的电阻性通路产生的电子电流。这是考虑能带的模型，当电压超过某个极限值时，电子由价带跳到导带时便产生了电流。因此，当电压低于这个极限值时，电子电流可以忽略。由此组成的IPMC致动器等效电路模型如所示。
了离子迁移现象；左边通过电阻Ri的支路模拟电子泄漏引起的电子电流，如果所施加的电压大于极限值时，二极管Di-D2允许导通；通过电容Ci的中间通路是模拟IPMC致动器的电容器结构而产生的位移电流，电阻R2为相应于铂电极的表面电阻。根据这个模型得出的电特性与试验结果比较一致。应用2 5V正弦电压输入在低频（小于2Hz）下显示出非线性特性。
我们关心的是输入电压及内部电流与致动器外特性之间的关系。但这个模型并没有反映这种关系，而且外部变形并不是随内部电流的大而线性加的，因此还有待进一步研究。
IPMC致动器的制备IPMC制备工艺主要可分为如下几个步骤：①离子聚合膜的表面粗化；②离子交换过程；③金属还原工艺；④表面电极化。
本研究采用了阳离子交换型的全氟离子聚合膜（Nafion117）化学镀铂工艺。其中包含了两个具有明显区别的主要工艺过程，即深度分子金属化的初始还原过程和表面电极化的涂镀过程7.初始还原之前，必须对膜片进行预处理。先将膜片两面磨毛，清洗后放在稀盐酸（或硝酸）中煮沸除去有机杂质，再用去离子水煮沸使其充分膨胀，然后放入一定浓度的铂盐溶液（如Cl2-H2）中，在室温下浸泡2h以上进行离子交换。
离子交换后的膜片首先进行初始还原。初始还原时的还原剂（NaBH4）要分次逐渐添加，并保持一定梯度的温升2h以上。初始还原后，在膜片两表面渗入深度为1~2（Fm的范围形成了纳米尺寸的微粒状银灰色金属铂层，其结构组织如树枝状由表面向中部伸展，为下一步表面电极化奠定基础。
接着将初始还原后的膜片再次放入铂盐溶液（Cl2-H2O）中改用还原剂（NH2OH-HCl和H2NH2-H2O）进行还原。类似地，还原剂逐次添加并保持一定梯度温升3h以上使温度上升到60工直到还原液与一定浓度的等量NaBH4溶液煮沸后不变黑为止。
试验证明，IPMC是对工艺依赖性很强的材料。初始还原的好坏是构造IPMC致动器成败的关键。正常情况下，初始还原过程中膜片由初的淡棕色由边缘向中心逐渐转黑，随后形成银灰色的金属铂层。如果在初始还原阶段膜片的表面没有形成所需要的铂层（如呈现出黑色或毫无金属光泽的暗灰色）时，下一步的表面电极化工艺将无法实现，或者实现后形成的致动器活性很差（在电压作用下变形很小或几乎不变形）。通过改变多种工艺参数，如铂盐的浓度和浸泡时间，不同还原阶段的温升梯度，还原剂的种类和浓度（剂量）等参数，可以优化致动器的性能。此外，还可以重复表面电极化工艺，以获得所需要电极厚度的IPMC致动器。
IPMC致动器性能测试与结果分析3.1测试条件及测试项目条状IPMC样品，首先测试在给定电压下的大变形量。用一节7号（AAA）干电池（1.5V）进行如所示的测试，有明显的变形。
正式测试时，用两片电极夹住膜片的一端，垂直放入水中。采用直流电压换向产生交变的方波信号，从0 ~4V，每次升压a5V，多次重复测试，IPMC变形测试照片见。取同一周期内悬垂膜片的下端左右两极限位置（分别如a和c所示）时的大距离作为大变形量，换向频率以使膜片达到大变形量为准。测得的电压E与大变形量/的关系如所示。
此外，还测试了在给定输入电压幅值下频率与变形及性能蜕变（变形量衰减）之间的关系。
3.2测试结果分析与讨论对样片的初步测试表明，总的趋势是输入电压越高，变形量越大，频率越高，变形量越小。这种现象可以用水合离子的惯性来解释。当电场变化太快时，由于水合离子的惯性远大于电子的惯性，因此离子的运动跟不电压一大变形量上电场的变换速度，测试曲线来不及充分地从电极的一端移到另一端，因而使得膨胀和收缩不完全，导致变形减小。电压低于1.5V时，测量的重复精度较高，高于3V时，在电极处的温度显著升高（手摸电极发烫），膜片表面可明显见到由于电解作用引起的气泡，变形大趋缓，且随着重复次数加变形越来越小。对膜片施加长时间的直流刺激时，当弯曲达到大值后膜片将产生往相反方向的回复。这种现象可以认为是由于水在压力梯度的作用下，从阳离子浓度大的阴极向阳离子浓度小的阳极迁移，导致原来收缩的阳极面膨胀，原来膨胀的阴极面收缩引起的。除此之外，并没有发生如所述的“一旦撤销电场，IPMC向相反方向出现过位移，产生变形”的现象。
5V方波电压下，随着频率的提高，变形衰减显著加快。当频率为a75Hz时，工作不足1h后肉眼就几乎感觉不到致动器的变形，而频率降到a5Hz时，连续工作了约9h才感觉不到致动器的变形。试验中注意到，在给定电压下重复试验时，左右变形是非对称的和不稳定的，变形区偏向某一方。这可能是两面金属镀层厚度差或不均匀造成的，多次制取的样片都是如此。这种现象究竟是膜片本身的特性所致，还是因IPMC制备工艺不当所产生，还有待进一步研究。当膜片在某一方向达到大变形时仍维持电流方向不变，从而使膜片向相反方向回复后，下一个周期内，变形区域会向相反方向偏移。如果换向频率足够低（保证可移动的水合离子有足够的时间反向运动到另一电极端），总的变形量大，但响应速度变慢。经过多个周期后，又会回复到初的状态。
IPMC应用展望及未来的研究方向IPMC作为致动器应用，国外研究目前也还处于试验室阶段。Shahinpooi等131用4片重0i1g的IPMC作手指组成的机械手，在5V电压下提起了1013g的石子，所需功率为25mW.这个动作如果用机械装置来实现，其机构将是非常复杂的。此外，作为水下微型仿生机器人推进装置的应用也在研究中110111.因机构简单（没有传统的机械运动部件）、重量轻、相对螺旋桨推进方式效率高、噪声低，这对于军事应用独具优势。此外，由于其驱动电压低、操作安全，在生物医学应用方面也有较大潜力。
如Wang等1121研究利用IPMC作为致动器用于光相干断层扫描仪（0CT）所使用的体内探头光纤扫描驱动机构，获得了满意的试验结果。
尽管IPMC的相对功率和变形（与自身重量比较）很大，但输出力对某些应用来说还是偏小。
如以上提到的机械手仅是短时间的试验，作为实用装置还有很多问题需要解决，如高电压下的性能退化、位移回复等。目前国外学者正在从制作工艺上研究改善性能的方法，如在还原金属电极的过程中添加分散剂使作为电极的表层金属粒子细化（纳米尺度），在铂电极的外层再镀金或银等，以减少水分向外渗透，降低电极表面电阻；采用重铸工艺加膜片厚度制作三维IPMC151等，虽取得了一定效果，但还需进一步研究改善。
由于目前还没有标准的IPMC商用产品，一般都是研究者自己现场制作，其性能因工艺条件不稳定而差异很大，有些参数无法直接测量，很难得出一个适应所有致动器样品的通用模型。因此在驱动控制方面，必须针对不同的样品，研究优化输入电压的幅值、波形、频率的方法，使其达到佳响应特性，从而使输出力与变形量及响应速度均满足使用要求。此外，根据IPMC的特性，扬长避短，构造适当的驱动机构，为其寻找合适的用途，扩大其应用范围，也是下一步的研究方向之一。
