On structural models for ionic polymer metal composites (SPIE Best Student Paper Finalist)
On structural models for ionic polymer metal composites (SPIE Best Student Paper Finalist)
复制标题
离子聚合物金属复合材料的结构模型（SPIE 最佳学生论文入围）
DOI：
10.1117/12.2558302
复制
发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Porfiri, Maurizio
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Boldini, Alain;Bardella, Lorenzo;Porfiri, Maurizio
离子聚合物金属复合材料（IPMC）是一类软电活性聚合物。 IPMC 由柔软的离子聚合物核心组成，其上镀有两个坚硬的金属电极。在空气或水环境中，这些活性材料在其电极上施加小驱动电压时表现出较大的弯曲。在最近的一项工作中，我们提出了令人信服的理论和数值证据，表明离子聚合物膜表现出被降阶结构模型忽略的复杂多轴变形。大多数梁理论（包括欧拉-伯努利、铁莫申科和大多数高阶剪切变形模型）都表明厚度方向变形消失，而我们发现局部变形开始反应为轴向拉伸。在此基础上，我们研究了电极和剪切对 IPMC 多轴变形的作用。我们建立了一种新颖的 IPMC 结构理论，基于欧拉-伯努利运动学，该运动学丰富了离子聚合物的全厚度变形，通过均匀弯曲的类圣维南问题计算得出。在考虑引起不均匀弯曲的边界条件时，我们将该模型的结果与经典欧拉-伯努利梁理论进行比较，无需富集和有限元模拟，封装材料的非线性响应。我们证明，我们的理论可以预测 IPMC 的宏观位移，以及离子聚合物与电极界面处的局部变形，而经典的欧拉-伯努利梁理论无法捕获这些变形。这项工作为 IPMC 和类似活性材料的更复杂的结构理论的发展铺平了道路，以有限的计算成本提供了对变形的准确描述。
Ionic polymer metal composites (IPMCs) are a class of soft electroactive polymers. IPMCs comprise a soft ionic polymer core, on which two stiff metal electrodes are plated. These active materials exhibit large bend- ing upon the application of a small driving voltage across their electrodes, in air or in aqueous environments. In a recent work, we presented compelling theoretical and numerical evidence suggesting that ionic polymer membranes exhibit complex multiaxial deformations neglected by reduced-order structural models. Where most beam theories (including Euler-Bernoulli, Timoshenko, and most higher-order shear deformation models) would suggest vanishing through-the-thickness deformation, we discover the onset of localized deformation that rever- berates into axial stretching. Building upon this effort, here we investigate the role of the electrodes and shear on multiaxial deformations of IPMCs. We establish a novel structural theory for IPMCs, based on the Euler- Bernoulli kinematics enriched with the through-the-thickness deformation in the ionic polymer, computed from a Saint-Venant-like problem for uniform bending. While considering boundary conditions that elicit non-uniform bending, we compare the results of this model against classical Euler-Bernoulli beam theory without enrichment and finite element simulations, encapsulating the nonlinear response of the material. We demonstrate that our theory can predict the macroscopic displacement of the IPMC, along with the localized deformation in the ionic polymer at the interface with the electrodes, which are not captured by the classical Euler-Bernoulli beam theory. This work paves the way to the development of more sophisticated structural theories for IPMCs and analogous active materials, affording an accurate description of deformations at a limited computational cost.
登录
查看更多内容
DOI：
10.1016/j.ijengsci.2020.103227
发表时间：
2020-04-01
影响因子：
6.6
作者：
Boldini, Alain;Porfiri, Maurizio
通讯作者：
Porfiri, Maurizio
DOI：
10.1186/s40638-017-0081-3
发表时间：
2017
期刊：
Robotics and biomimetics
影响因子：
--
作者：
Chen Z
通讯作者：
Chen Z
Suwazono S.：“听音乐期间所有阶段事件相关的电位。Nakada T.（编辑）综合人脑科学”爱思唯尔，阿姆斯特丹。
DOI：
--
发表时间：
--
期刊：
影响因子：
--
作者：
通讯作者：
--
采用先进制造方法制造离子聚合物-金属复合材料（IPMC）作为人造肌肉的指南
DOI：
--
发表时间：
2018
期刊：
Advances in Manufacturing and Processing of Materials and Structures
影响因子：
--
作者：
T. Stalbaum;Sarah Trabia;T. Hwang;Zakai J Olsen;S. E. Nelson;Qi Shen;Dong‐Chan Lee;K. Kim;James D. Carrico;K. Leang;V. Palmre;Jungsoo Nam;I. Park;R. Tiwari;Doyeon Kim;Sungjun Kim
通讯作者：
Sungjun Kim
离子聚合物金属复合材料（IPMC）：智能多功能材料和人造肌肉
DOI：
--
发表时间：
2015
期刊：
影响因子：
--
作者：
M. Shahinpoor
通讯作者：
M. Shahinpoor