基于半导体聚合物 PEDOT 的电活性伪三层结构的弯曲建模

电活性聚合物（EAP）是智能材料，可用作许多领域的致动器、传感器或能量收集器。我们此前研究过一种离子金属-聚合物复合材料（IPMC），它由诸如 Nafion 的离子聚合物薄膜饱含水、并在两侧涂有薄金属层作为电极构成。该系统在受到垂直于薄膜的电场时发生弯曲，因此可用作致动器。反之，薄膜的偏转会在电极间产生电势差；因此同一系统也可用作传感器。我们已为该体系建立了“连续介质”模型。线性不可逆过程热力学使我们得以建立其本构方程。我们目前关注一种基于 PEDOT（一种半导体 EAP）的近似性质系统。器件的核心部分由两种互穿聚合物构成，充当离子库。PEDOT 在每一侧聚合，并与另外两种聚合物形成互穿网络。由此得到伪三层，两层外层含 PEDOT 作为电极。随后用离子液体饱和。当如此制得的薄片置于垂直于其表面的电场中时，PEDOT 在负电极一侧发生还原反应（或去掺杂），吸引来自中央部分的阳离子从而膨胀；薄片最终向正电极弯曲。我们首先将模型适配于这一双组分体系：一侧为阳离子，另一侧为三种聚合物与阴离子。我们先在微观尺度为每个相写出平衡方程与热力学关系，再通过平均化技术在宏观尺度为整体材料写出。线性不可逆过程热力学进而给出其本构关系：Kelvin–Voigt 型应力-应变关系以及广义傅里叶定律与达西定律。所得方程应用于在恒温下受连续电势差的悬臂薄片情形。方程组的数值求解使我们能绘制各物理量的分布曲线，这些量在电极附近变化极为陡峭。我们还评估了尖端位移以及为阻止梁自由端位移（阻塞力）必须施加的力。所得结果与文献中发表的实验数据吻合良好。