مدل‌سازی سه بعدی اثر خستگی در کامپوزیت‌های پلیمری فلزی یونی

مهندسی متالورژی و مواد

مقاله 5، دوره 34، شماره 3 - شماره پیاپی 31، مهر 1402، صفحه 77-94   

نوع مقاله: علمی و پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jmme.2023.78161.1069

نویسندگان

آرزو خراجی؛ نادیا نقوی^* ؛ حجت زامیاد

گروه برق، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد.

چکیده

کامپوزیت های پلیمری فلزی-‌‌یونی (IPMC) مواد هوشمندی هستند که ساختارشان شامل دو بخش فلزی و الاستومری است. از نظر کاربردی در دسته پلیمرهای الکترواکتیو قرار می‌گیرند که گزینه مناسبی برای استفاده به‌عنوان سنسور و عملگرهای نرم با ولتاژ تحریک اندک هستند. در کاربرد بعنوان عملگر، خمش IPMC علاوه بر ولتاژ تحریک، متأثر از عوامل ذاتی و محیطی است. پیش‌‌بینی «اثر پس‌‌آرامش» چالشی جدی در بکارگیری عملی IPMC است. اصطلاح اثر پس‌‌آرامش برای کاهش تدریجی خمش IPMC و بازگشت آن به طرف کاتد، تحت تحریک با ولتاژ ثابت بکار می‌رود. در این پژوهش برای اولین بار، اثر پس‌‌آرامش در رفتار خمشی IPMC در فضای سه‌‌بعدی با نرم‌‌افزار Comsol مدل‌سازی شده است. مقایسه نتایج با داده‌های آزمایش عملی، حاکی از دقت 93 درصدی مدل‌‌سازی در پیش‌‌بینی جابجایی است که سایر اطلاعات مهم عملکردی مانند تغییرات غلظت و توزیع تنش در ماده را نیز تأیید می‌کند. استفاده از این مدل برای پیش بینی رفتار IPMC، در مقایسه با انجام آزمایش های عملی، ازلحاظ وقت و هزینه بسیار مقرون‌ به‌ صرفه خواهد بود.

کلیدواژه‌ها

مواد هوشمند؛ IPMC؛ اثر پس آرامش؛ کامسول؛ مدل سازی چندفیزیکی

مراجع

1.    Shahinpoor,  Fundamentals of ionic polymer metal composites (IPMCs). 2015.
2. Pugal, “Physics based model of ionic polymer-metal composite electromechanical and mechanoelectrical transduction”. University of Nevada, Reno. 2012.
3. G. Grot, Nafion® membrane and its applications. In Electrochemistry in Industry. Springer, Boston, MA. pp. 73-87 1982.
4. Kusoglu, A. Z. Weber, “ New insights into perfluorinated sulfonic-acid ionomers. Chemical reviews,” vol. 117, no.3, pp. 987-1104. 2017.
5. Church, Del. firm installs fuel cell. The News Journal, 6, B7. 2006.
6. Heitner-Wirguin, “Recent advances in perfluorinated ionomer membranes: structure,” properties and applications. Journal of membrane Science, vol. 120, no.1, pp.1-33. 1996.
7. D. N. Chi, T. D. Quang, J. I. Yoon, and K. K. Ahn, “Identification of ionic polymer metal composite actuator employing fuzzy NARX model and Particle Swam Optimization,” in Proc. IEEE Int. Conf. Control, Autom. Syst. (ICCAS), pp. 1857–1861, Oct. 2011.
8. Annabestani and N. Naghavi, “Nonlinear identification of IPMC actuators based on ANFIS–NARX paradigm,” Sens. Actuators A, Phys., vol. 209, pp. 140–148, Mar. 2014.
9. Shahinpoor, “Ionic polymer–conductor composites as biomimetic sensors, robotic actuators and artificial muscles—A review,” Electrochim. Acta, vol. 48, no. 14–16, pp. 2343–2353, 2003.
10. Annabestani and N. Naghavi, “Non-uniform deformation and curvature identification of ionic polymer metal composite actuators,” J. Intell. Mater. Syst. Struct., vol. 26, no. 5, pp. 582–598, 2014.
11. Brufau-Penella, J. Sá¡nchez-Martín, and M. Puig-Vidal, “Piezoelectric polymer model validation applied to mm size micro-robot I-SWARM (intelligent swarm),” Proc. SPIE, vol. 6166, p. 61660Q, Mar. 2006.
12. Dong and Y. Tan, “A model based predictive compensation for ionic polymer metal composite sensors for displacement measurement,” Sens. Actuators A, Phys., vol. 224, pp. 43–49, Apr. 2015.
13. G. Zuquello, M. C.Saccardo, R.Gonçalves, K. A.Tozzi, R. Barbosa, L. A.Hirano, & C. H.  Scuracchio, PI controller for IPMC actuators based on Nafion®/PT using machine vision for feedback response at different relative humidities. Materials Research, 25. (2022).
14. Annabestani, M. H. Sayad, P. Esmaeili-Dokht & M.  Fardmanesh, “ Toward a High‐Performance Ionic Soft Actuator: A Disturbance-Aided Method for Elimination of Back Relaxation of Pattern-Free Ipmc Actuators,”
15. G. Zuquello, M. C. Saccardo, R. Gonçalves, K. A.Tozzi, R. Barbosa,  L. A.Hirano, & C.H. Scuracchio,  “ PI controller for IPMC actuators based on Nafion®/PT using machine vision for feedback response at different relative humidities,” Materials Research.25. (2022).
16. M. Arnold, J. Su, & E. M.  Sabolsky,  “ Influence of environmental conditions and voltage application on the electromechanical performance of Nafion-Pt IPMC actuators,” Smart Materials and Structures. vol. 31, no.11, 115031. 2022,
17. Zhang, M. Wang, X. Zhang, C. Zhang, Li, M., & Yu, S. “ Fabrication of a multilayered SGO/macroporous Nafion-based IPMC with enhanced actuation performance,”Sensors and Actuators B: Chemical.356, 131319. (2022).
18. Yin, M. Yu, X. Tong, Y. Wu, C. Tian & Y. Li, (2022), “ Fabrication and performance analysis of high-performance cylindrical ionic polymer-metal composite actuators with various diameters,” Smart Materials and Structures, 31(11), 115003.
19. MohdIsa, A. Hunt and S. H. HosseinNia , ”Sensing and Self-Sensing Actuation Methods for Ionic Polymer–Metal Composite (IPMC): A Review”. Sensors, vol. 19, no. 18, 3967, 2019.
20. Zamyad, and N. Naghavi, “Behavior identification of IPMC actuators using Laguerre-MLP network with consideration of ambient temperature and humidity effects on their performance”. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 67, no. 11, 2723-2732, 2018.
21. Zamyad, N. Naghavi, R. Godaz, & R. Monsefi, “ A recurrent neural network–based model for predicting bending behavior of ionic polymer–metal composite actuators,” Journal of Intelligent Material Systems and Structures, vol. 31, no. 17, pp. 1973-1985, 2020.
22. Zamyad, N.Naghavi, & H. Barmaki, “ A combined fuzzy logic and artificial neural network approach for non‐linear identification of IPMC actuators with hysteresis modification,” Expert Systems, vol. 35, no.4, e12283, 2018.
23. AziziHariri, A. H.Ebrahimi, Zamyad  & S.  Sahebian, “ Bending Movement Analysis of Soft Actuators Fabricated with Silicone-Ethanol,” Carbon Fabric Composites.
24. Sadeghipour, R. Salomon, & S. Neogi, “ Development of a novel electrochemically active membrane and'smart'material based vibration sensor/damper,” Smart Materials and Structures, vol. 1, no. 2, pp.172. 1992.
25. Asaka & K. Oguro, “Bending of polyelectrolyte membrane platinum composites by electric stimuli: Part II. Response kinetics”. Journal of Electroanalytical Chemistry, vol. 480, vol. 1-2, pp.186-198, 2000.
26. Porfiri, “Charge dynamics in ionic polymer metal composites,” Journal of Applied Physics, vol. 104, no.10, 104915, 2008.
27. Chen, &X. Tan, “A Control-Oriented and Physics-Based Model for Ionic Polymer--Metal Composite Actuators”. IEEE/ASME Transactions On Mechatronics, vol. 13, no. 5, pp.519-529, 2008.
28. J. Akle, W. Habchi, T. Wallmersperger, E. J. Akle, & D. J. Leo, “High surface area electrodes in ionic polymer transducers: numerical and experimental investigations of the electro-chemical behavior,” Journal of Applied Physics, vol. 109, no. 7, pp. 074509, 2011.
29. Zamyad, N. Naghavi, and H. Barmaki, “A combined fuzzy logic and artificial neural network approach for nonlinear identification of IPMC actuators with hysteresis modification,” Expert System, vol. 35, no, 4, pp.e12283., 2018.
30. Bar-Cohen, “Electroactive polymer (EAP) actuators as artificial muscles: reality, potential, and challenges (Vol. 136, pp. 1-765)”. Bellingham, WA: SPIE press, 2004.
31. Dong, and Y. Tan, “A model based predictive compensation for ionic polymer metal composite sensors for displacement measurement,” Sensors and Actuators A: Physical, vol. 224, pp.43-49, 2015.
32. Shahinpoor and K. J. Kim, “Ionic polymer–metal composites: IV. Industrial and medical applications”. Smart materials and structures, vol. 14, no, 1, pp.197, 2004.
33. Dong & Y. Tan “A model based predictive compensation for ionic polymer metal composite sensors for displacement measurement”. Sensors and Actuators A: Physical, vol. 224, pp. 43-49, 2015.
34. Pugal , K. Jung ,A.  Aabloo, K.J. Kim , “ Ionic polymer-metal composite mechanoelectrical transduction: review and perspectives,” Polym Int, vol. 59, no.3. pp.:279–289. 2010.
35. Jo, D. Pugal, Oh I-K, K.J. Kim , K. Asaka “ Recent advances in ionic polymer-metal composite actuators and their modeling and applications,” Prog Polym Sci, vol. 38, no. 7, pp.1037–1066. 2013.
36. Punning ,K.J Kim , V. Palmre , F. Vidal ,C.  Plesse , N. Festin ,A.  Maziz , K. Asaka , T. Sugino , G. Alici  et al  “ Ionic electroactive polymer artificial muscles in space applications,” Sci Rep 4:6913(2014).
37. Annabestani, M. Maymandi-Nejad, and N. Naghavi. "Restraining IPMC back relaxation in large bending displacements: applying non-feedback local Gaussian disturbance by patterned electrodes." IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 63, no. 4, pp.1689-1695, 2016.
38. م. محمودنژاد، 1398، هفته چهارم دوره جامع آموزش عمومی کامسول- مش بندی در کامسول.
39. Zamyad, & N.  Naghavi  “ Behavior identification of IPMC actuators using Laguerre-MLP network with consideration of ambient temperature and humidity effects on their performance,” IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 67, no. 11, pp. 2723-2732, 2018.