CN113088944A - 基于ipmc电活性聚合物的主动减阻材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料及其制备方法，将具有仿生鲨鱼盾鳞微结构的硅片放入石英玻璃模具中，再将Nafion溶液和N,N‑二甲基甲酰胺的混合溶液倒入石英玻璃模具中，然后加热成膜后退火，获得具有微结构的Nafion膜；采用化学镀的方法在具有微结构的Nafion膜表面沉积贵金属电极层，得到表面具有微结构的IPMC电活性聚合物，剪裁，得到基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料。本发明基于IPMC的主动减阻表面结合传统减阻表面的微结构，可以满足各种复杂的流场环境，极大的拓宽了仿生表面的应用条件，并大大提高表面的减阻性能。

Description

基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料及其制备方法，属于仿生材料减阻领域。
背景技术
减阻技术可以应用于航海、航空、地面交通工具以及管道运输等工程实践中，具有很大的经济价值，一直是国内外研究的热点问题之一。目前常用的减阻技术有柔性表面减阻，自清洁表面减阻和非光滑表面减阻等，这些减阻技术表面的沟槽等微结构通常采用机械加工和模板复制等方法在基材表面加工形成非光滑微观形貌。这种加工形成的表面形貌一旦成型就无法改变，所以这样的减阻表面只能在特定的流场环境中使用，当水流速度和流场边界条件改变时，它的减阻效果就会逐渐减弱甚至出现增阻现象，其应用具有很大的局限性。
发明内容
本发明的目的在于克服传统的减阻技术表面形貌固定，不能动态变化，减阻过程中不能动态调整微结构导致的减阻效果减弱，应用受限的问题。本发明提供一种基于IPMC电活性聚合物的主动减阻表面及其制备方法，基于IPMC电活性材料的减阻表面，可以根据流场环境改变表面微观形貌，使其始终处于最佳的减阻结构，大大提高了表面的减阻性能，能在复杂多变的流场环境中仍然保持较好的减阻效果，改进了现有的表面减阻技术。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料的制备方法，将具有仿生鲨鱼盾鳞微结构的硅片放入石英玻璃模具中，再将Nafion溶液和N,N-二甲基甲酰胺的混合溶液倒入石英玻璃模具中，然后加热成膜后退火，获得具有微结构的Nafion膜；
采用化学镀的方法在具有微结构的Nafion膜表面沉积贵金属电极层，得到表面具有微结构的IPMC电活性聚合物，剪裁，得到基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料。
本发明的进一步的改进在于，仿生鲨鱼盾鳞微结构包括若干微单元，每个微单元为对称结构，每个单元包括中心凸起，中心凸起的一侧设置有第一凸起与第二凸起，中心凸起的另一侧对称设置有第三凸起与第四凸起；第一凸起的长度小于中心凸起，第二凸起的长度小于第三凸起。
本发明的进一步的改进在于，Nafion溶液和N,N-二甲基甲酰胺的体积比为4:1。
本发明的进一步的改进在于，加热成膜的具体过程为：在60-70℃加热20-26h成膜，然后在90-100℃保持3-4h，最后于125-135℃保持0.5-1.5h。
本发明的进一步的改进在于，采用化学镀的方法在具有微结构的Nafion膜表面沉积贵金属电极层，得到表面具有微结构的IPMC电活性聚合物的具体过程为：将具有微结构的Nafion膜经过离子吸附、主化学镀、次化学镀和离子交换，得到表面具有微结构的IPMC电活性聚合物。
本发明的进一步的改进在于，离子吸附的具体过程为：将[Pt(NH3)4]Cl2)加入到水中，然后加入5wt％的氨水溶液，得到混合液；在室温和避光条件下，将具有微结构的Nafion膜浸泡在混合溶液中12-14h，使得每平方厘米膜上铂的质量为3-3.5mg；其中，[Pt(NH3)4]Cl2)与氨水溶液的比为257-300mg：1mL。
本发明的进一步的改进在于，主化学镀的具体过程为：将经过离子吸附的膜水中，加热至40-43℃，每隔半小时加入NaBH4溶液，并将温度升高2-3℃，直到温度升至61-64℃时，加入NaBH4溶液，反应2-4h后浸泡在盐酸溶液中10-18h。
本发明的进一步的改进在于，次化学镀的具体过程为：将171-199mg的铂氨复合物和80-100mL水配制成次镀液，将经过主化学镀的膜放入次镀液中，并加热至42℃，每隔半小时加入NH2OH·Cl溶液和NH2 NH2·1.5H2O溶液一次，并将温度升高3℃，直到温度升至62℃，再将膜浸泡在盐酸溶液中10-18h；其中，铂氨复合物与水的比为171-199mg：80-100mL。
本发明的进一步的改进在于，离子交换的具体过程为：将LiCl和LiOH，加入去离子水配成交换液，将经过次化学镀的膜并浸泡在交换液中，将膜中的H+替换成Li+，得到IPMC材料。
一种根据上述的方法制备的基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：本发明制备了一种可致动变形材料表面，能在外部施加的3-5V驱动电压控制下产生类似正弦波动状的变形，构成主动减阻表面；该表面材料可以在外部流场环境的压力下产生电信号，通过分析产生的信号可以提取周围流场的信息，对周围流场信息处理之后可以采用特定的控制策略即根据处理结果对材料表面施加一定的电信号，来控制表面产生达到较大减阻效果的变形；该自主减阻表面上复刻了被动减阻的微结构，主动减阻和被动减阻相结合，因为材料能够变形，另外，有微结构，两者结合极大地提高了表面的减阻效果。与传统的被动减阻表面相比，减阻率提高了4倍左右，与主动减阻表面相比，减阻率提高了30％左右。
附图说明
图1是本发明的基于IPMC电活性聚合物的主动减阻表面的制备过程；
图2是光刻有微结构的硅片；
图3是实施例1中Nafion膜粗化处理前后的对照图；
图4是经过化学镀形成的铂金属电极层；
图5是主动减阻表面示意图；
图6是本发明实施例1制备的IPMC驱动性能测试结果图。其中，(a)为位移随时间的变化，(b)为力随时间的变化。
图7为在本发明实施例1制备的自主减阻表面在水下运动时的减阻效果图。
具体实施方式
为了使人更清楚的明白本发明的目的和优势所在，下面结合具体的实例对本发明做详细的说明。
本发明的制备方法包括以下步骤：
(1)硅片表面光刻微结构
用去离子水将尺寸为56×56mm的硅片材料表面清洗干净，用激光打标机在硅片表面刻蚀仿生鲨鱼盾鳞微结构，以便后续在表面复现微结构，再用去离子水和无水乙醇清洗掉模板表面的碎屑，获得具有仿生鲨鱼盾鳞微结构的硅片。
参见图2，仿生鲨鱼盾鳞微结构包括若干微单元，每个微单元为对称结构，每个单元包括中心凸起，中心凸起的一侧设置有第一凸起，第二凸起，中心凸起的另一侧对称设置有第三凸起与第四凸起。第三凸起与第一凸起关于中心凸起对称，第四凸起与第二凸起关于中心凸起对称。
第一凸起的长度小于中心凸起，第二凸起的长度小于第三凸起。中心凸起的长度为5-6mm，第一凸起的长度为3-4mm，第二凸起的长度1-2mm。
中心凸起、第一凸起、第二凸起、第三凸起与第四凸起的宽度均为150-200μm，中心凸起、第一凸起、第二凸起、第三凸起与第四凸起的高度均为200-400μm。
(2)Nafion基膜表面复现微结构
将具有仿生鲨鱼盾鳞微结构的硅片放入石英玻璃模具(长×宽×高，56×56×40mm)底部，将体积比为4:1的Nafion溶液和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)混合后形成的混合溶液浇铸到石英玻璃模具中，将混合溶液搅拌5min使得混合均匀，并超声除去溶液中的气泡，将混合溶液于60-70℃加热22-26h成膜，初步成膜后将温度提高到90-100℃加热2-3h，再将温度升高到125-135℃保持0.5-1.5h后退火，自然冷却至室温，获得具有微结构的Nafion膜，具有微结构的Nafion膜的厚度为0.3-0.7mm；退火的目的是去除Nafion膜的残余应力，提高其力学性能。
(3)制备微结构IPMC电活性聚合物
采用化学镀的方法在具有微结构的Nafion膜表面沉积贵金属，形成厚度为30-60微米的贵金属金属电极层，得到表面具有微结构的IPMC电活性聚合物，表面具有微结构的IPMC电活性聚合物厚度为0.5mm-0.7mm。
步骤(3)的具体过程如下：
(a)Nafion膜的表面处理：将具有微结构的Nafion膜表面用喷砂机同向打磨粗糙，至两面完全不透明，打磨结束后用去离子水清洗表面，然后超声清洗30-40min除去表面杂质，2mol/L的盐酸溶液80-90℃水浴加热20-30min，最后用去离子水80-90℃水浴加热30-40min，得到具有如图3所示的表面形貌的处理后的基膜；从图3可以看出，与处理前的透明光滑膜表面相比，处理后的膜表面非常粗糙，便于后续的电极层生成。
(b)离子吸附：按每平方厘米膜需要3-3.5mg铂，配制铂氨溶液，称量257-300mg的铂氨复合物([Pt(NH3)4]Cl2)配制成溶液，加入1mL 5wt％的氨水溶液，维持溶液的酸碱平衡，得到混合液；在室温和避光条件下，将处理后的基膜浸泡在混合溶液中12-14h，使得每平方厘米膜上铂的质量为3-3.5mg。
(c)主化学镀：用去离子水清洗经过离子吸附的膜，然后放入装有180-220mL去离子水的烧杯中，用恒温振荡器加热至40-43℃；每隔半小时加入3-4mL的质量浓度5％的NaBH4溶液，同时温度升高2-3℃，直到温度升至61-64℃时，加入25-35mL质量浓度5％的NaBH4溶液，反应2-4h后停止，然后用去离子水清洗并浸泡在0.2mol/L的盐酸溶液中10-18h。
(d)次化学镀：量取171-199mg的铂氨复合物和80-100mL去离子水配制成次镀液，用去离子水清洗经过主化学镀的膜，然后放入装有次镀液的烧杯中，用恒温振荡器加热至42℃；每隔半小时加入4-6mL的质量浓度5％NH2OH·Cl溶液和2-4mL的质量浓度20％NH2NH2·1.5H2O溶液，同时温度升高3℃，直到温度升至62℃，然后用去离子水清洗并浸泡在质量浓度0.2％的盐酸溶液中10-18h。
该步骤重复2-3次，以便获得较为均匀致密的铂金属电极层，厚度为30-60μm，如图4所示。
(e)离子交换：量取2-5g LiCl和80-120mg LiOH，加入70-90mL的去离子水配成交换液，用去离子水清洗次经过化学镀后的膜，然后浸泡在交换液中48-60h，结束后即可得到IPMC材料。该步骤的目的是，将材料内部的阳离子H+替换成金属阳离子Li+。
其中，化学镀的方法先进行主化学镀，然后再进行次化学镀。主化学镀过程中保证每平方厘米膜上有3-3.5mg贵金属，次化学镀过程中保证每平方厘米膜上有1.25-2mg贵金属，形成IPMC材料。
贵金属为还可以为钯、银或金。即采用钯、银或金的相应的盐代替铂氨复合物([Pt(NH3)4]Cl2)。
贵金属金属电极层的厚度为30-60μm，优选40μm。
将制备好的表面具有微结构的IPMC电活性聚合物剪裁成合适的尺寸，得到主动减阻表面材料，将若干主动减阻表面材料按照需要多个布置之后，得到主动减阻表面。
下面为具体实施例。
实施例1
如图1所示，基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料制备步骤，具体如下：
(1)微结构模板的制备
首先用AutoCAD绘制出需要的仿生鲨鱼盾鳞微结构图形，将硅片表面用去离子水清洗干净并干燥，用激光打标机在硅片上刻蚀出微结构，具体参数为：频率20kHz，功率80％，速度为400mm/s，加工数目2次，得到如图2所示的微结构。再次用去离子水和无水乙醇清洗硅片，将硅片表面的加工碎屑清洗干净，获得具有微结构的硅片。
(2)制备面带有微结构的Nafion膜
将光刻好的硅片放入石英玻璃模具(长×宽×高，56mm×56mm×40mm)底部，将48mL的Nafion溶液和12mL的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)混合后形成的混合溶液倒入石英玻璃模具中，加入DMF的目的是由于DMF的沸点较高，可以减缓溶剂的挥发，从而阻止Nafion溶液在凝固成膜的过程中产生裂纹；将混合溶液用磁力搅拌器搅拌2h，使溶液混合均匀，然后超声处理30min，除去溶液中的气泡；将浇铸模具放入真空干燥箱中进行热处理：初始温度设置为65℃加热24h，待溶剂完全挥发后成膜，再将温度升高到90℃保持3h，最后将将温度升高到130℃保持1h后退火，自然冷却至室温，去除Nafion膜的残余应力，获得具有如图2所示微结构的Nafion膜。
(3)制备带有微结构IPMC
(a)Nafion膜的表面处理：将Nafion膜表面用喷砂机同向打磨粗糙，至两面完全不透明，打磨结束后用去离子水清洗表面，然后超声清洗0.5h除去表面杂质，2mol/L的盐酸溶液80℃水浴加热20min，最后用去离子水80℃水浴加热30min，得到如图3所示的表面形貌的Nafion膜；从图3可以看出，与处理前的透明光滑膜表面相比，处理后的膜表面非常粗糙，便于后续的电极层生成。
(b)离子吸附：按每平方厘米膜需要3mg铂配制铂氨溶液，称量257mg的铂氨复合物([Pt(NH3)4]Cl2)配制成溶液，加入1mL 5wt％的氨水溶液，维持溶液的酸碱平衡，得到混合液；在室温和避光条件下，将处理好的膜浸泡在混合溶液中12h。该步骤的目的是为了在膜表面初步生成金属电极层。
(c)主化学镀：用去离子水清洗经过离子吸附的膜，放入装有180mL去离子水的烧杯中，用恒温振荡器加热至42℃；每隔半小时加入3mL的质量浓度5％的NaBH4溶液，同时温度升高3℃；直到温度升至62℃时，加入30mL质量浓度5％的NaBH4溶液，反应2h后停止，然后用去离子水清洗并浸泡在0.2mol/L的盐酸溶液中12h。
(d)次化学镀：量取171mg的铂氨复合物和80mL去离子水配制成次镀液，用去离子水清洗经过主化学镀的膜，放入装有次镀液的烧杯中，用恒温振荡器加热至42℃；每隔半小时加入5mL的质量浓度5％NH2OH·Cl溶液和3mL的质量浓度20％NH2 NH2·1.5H2O溶液，同时温度升高3℃；直到温度升至62℃，然后用去离子水清洗并浸泡在质量浓度0.2％的盐酸溶液中12h。该步骤重复2次，以便获得较为均匀致密的铂金属电极层，如图4所示。
(e)离子交换：量取3g LiCl和100mg LiOH，加入70mL的去离子水配成交换液，用去离子水清洗次化学镀后的膜并浸泡在交换液中48h，结束后即可得到IPMC材料。
(4)制备自主减阻表面
将得到的带有微结构的IPMC剪裁成需要的几何形状，即可用于自主减阻表面，在表面的不同部位施加驱动信号，可以使得表面产生需要的变形，如图5所示。为了测试表面的变形能力，将IPMC材料剪裁成长条形(长×宽，35mm×5mm)，通过测试平台对其性能进行测试，得到如图6中(a)和(b)所示的位移和力测试结果。从图6中(a)和(b)可以看出，减阻表面能够在水中产生变形。
通过对本发明制备的自主减阻表面进行仿真实验，得到其在水下运动时的减阻效果，与被动减阻表面和主动减阻表面相比，该自主减阻表面的减阻率都得到了较大的提升，其最大减阻率可以达到19.6％左右，如图7所示。
实施例2
如图1所示，基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料制备步骤，具体如下：
(1)微结构模板的制备
首先用AutoCAD绘制出需要的仿生鲨鱼盾鳞微结构图形，将硅片表面用去离子水清洗干净并干燥，用激光打标机在硅片上刻蚀出微结构，具体参数为：频率20kHz，功率80％，速度为400mm/s，加工数目2次，得到微结构。再次用去离子水和无水乙醇清洗硅片，将硅片表面的加工碎屑清洗干净，获得具有微结构的硅片。
(2)制备面带有微结构的Nafion膜
将光刻好的硅片放入石英玻璃模具(长×宽×高，56mm×56mm×40mm)底部，将48mL的Nafion溶液和12mL的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)混合后形成的混合溶液倒入石英玻璃模具中，加入DMF的目的是由于DMF的沸点较高，可以减缓溶剂的挥发，从而阻止Nafion溶液在凝固成膜的过程中产生裂纹；将混合溶液用磁力搅拌器搅拌2h，使溶液混合均匀，然后超声处理30min，除去溶液中的气泡；将浇铸模具放入真空干燥箱中进行热处理：初始温度设置为60℃加热26h，待溶剂完全挥发后成膜，再将温度升高到90℃保持3h，最后将将温度升高到125℃保持1.5h后退火，自然冷却至室温，去除Nafion膜的残余应力，获得具有厚度为0.5mm的仿生鲨鱼盾鳞微结构的Nafion膜。
(3)制备带有微结构IPMC
(a)Nafion膜的表面处理：将Nafion膜表面用喷砂机同向打磨粗糙，至两面完全不透明，打磨结束后用去离子水清洗表面，然后超声清洗30min除去表面杂质，2mol/L的盐酸溶液90℃水浴加热30min，最后用去离子水90℃水浴加热30min，得到处理好的Nafion膜。
(b)离子吸附：称量257mg的铂氨复合物([Pt(NH3)4]Cl2)配制成溶液，加入1mL5wt％的氨水溶液，维持溶液的酸碱平衡，得到混合液；在室温和避光条件下，将处理好的膜浸泡在混合溶液中12h。该步骤的目的是为了在膜表面初步生成金属电极层。
(c)主化学镀：用去离子水清洗经过离子吸附的膜，放入装有180mL去离子水的烧杯中，用恒温振荡器加热至43℃；每隔半小时加入3mL的质量浓度5％的NaBH4溶液，同时温度升高2℃；直到温度升至61℃时，加入25mL质量浓度5％的NaBH4溶液，反应2h后停止，然后用去离子水清洗并浸泡在0.2mol/L的盐酸溶液中18h。
(d)次化学镀：量取171mg的铂氨复合物和100mL去离子水配制成次镀液，用去离子水清洗经过主化学镀的膜，放入装有次镀液的烧杯中，用恒温振荡器加热至42℃；每隔半小时加入4mL的质量浓度5％NH2OH·Cl溶液和2mL的质量浓度20％NH2 NH2·1.5H2O溶液，同时温度升高3℃；直到温度升至62℃，然后用去离子水清洗并浸泡在质量浓度0.2％的盐酸溶液中18h。该步骤重复2次，以便获得较为均匀致密的铂金属电极层。
(e)离子交换：量取2g LiCl和120mg LiOH，加入70mL的去离子水配成交换液，用去离子水清洗次化学镀后的膜并浸泡在交换液中48h，结束后即可得到IPMC材料。
(4)制备自主减阻表面
将得到的带有微结构的IPMC剪裁成需要的几何形状，即可用于自主减阻表面，在表面的不同部位施加驱动信号，可以使得表面产生需要的变形。
实施例3
如图1所示，基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料制备步骤，具体如下：
(1)微结构模板的制备
首先用AutoCAD绘制出需要的仿生鲨鱼盾鳞微结构图形，将硅片表面用去离子水清洗干净并干燥，用激光打标机在硅片上刻蚀出微结构，具体参数为：频率20kHz，功率80％，速度为400mm/s，加工数目2次，得到微结构。再次用去离子水和无水乙醇清洗硅片，将硅片表面的加工碎屑清洗干净，获得具有微结构的硅片。
(2)制备面带有微结构的Nafion膜
将光刻好的硅片放入石英玻璃模具(长×宽×高，56mm×56mm×40mm)底部，将48mL的Nafion溶液和12mL的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)混合后形成的混合溶液倒入石英玻璃模具中，加入DMF的目的是由于DMF的沸点较高，可以减缓溶剂的挥发，从而阻止Nafion溶液在凝固成膜的过程中产生裂纹；将混合溶液用磁力搅拌器搅拌2h，使溶液混合均匀，然后超声处理30min，除去溶液中的气泡；将浇铸模具放入真空干燥箱中进行热处理：初始温度设置为70℃加热22h，待溶剂完全挥发后成膜，再将温度升高到100℃保持2h，最后将将温度升高到130℃保持1h后退火，自然冷却至室温，去除Nafion膜的残余应力，获得厚度为0.3mm的具有仿生鲨鱼盾鳞微结构的Nafion膜。
(3)制备带有微结构IPMC
(a)Nafion膜的表面处理：将Nafion膜表面用喷砂机同向打磨粗糙，至两面完全不透明，打磨结束后用去离子水清洗表面，然后超声清洗40min除去表面杂质，2mol/L的盐酸溶液85℃水浴加热25min，最后用去离子水80℃水浴加热40min，得到处理好的Nafion膜。
(b)离子吸附：称量280mg的铂氨复合物([Pt(NH3)4]Cl2)配制成溶液，加入1mL5wt％的氨水溶液，维持溶液的酸碱平衡，得到混合液；在室温和避光条件下，将处理好的膜浸泡在混合溶液中13h。该步骤的目的是为了在膜表面初步生成金属电极层。
(c)主化学镀：用去离子水清洗经过离子吸附的膜，放入装有200mL去离子水的烧杯中，用恒温振荡器加热至41℃；每隔半小时加入4mL的质量浓度5％的NaBH4溶液，同时温度升高3℃；直到温度升至621℃时，加入30mL质量浓度5％的NaBH4溶液，反应3h后停止，然后用去离子水清洗并浸泡在0.2mol/L的盐酸溶液中10h。
(d)次化学镀：量取199mg的铂氨复合物和90mL去离子水配制成次镀液，用去离子水清洗经过主化学镀的膜，放入装有次镀液的烧杯中，用恒温振荡器加热至42℃；每隔半小时加入5mL的质量浓度5％NH2OH·Cl溶液和4mL的质量浓度20％NH2 NH2·1.5H2O溶液，同时温度升高3℃；直到温度升至62℃，然后用去离子水清洗并浸泡在质量浓度0.2％的盐酸溶液中15h。该步骤重复3次，以便获得较为均匀致密的铂金属电极层。
(e)离子交换：量取4g LiCl和80mg LiOH，加入80mL的去离子水配成交换液，用去离子水清洗次化学镀后的膜并浸泡在交换液中55h，结束后即可得到IPMC材料。
(4)制备自主减阻表面
将得到的带有微结构的IPMC剪裁成需要的几何形状，即可用于自主减阻表面，在表面的不同部位施加驱动信号，可以使得表面产生需要的变形。
实施例4
如图1所示，基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料制备步骤，具体如下：
(1)微结构模板的制备
首先用AutoCAD绘制出需要的仿生鲨鱼盾鳞微结构图形，将硅片表面用去离子水清洗干净并干燥，用激光打标机在硅片上刻蚀出微结构，具体参数为：频率20kHz，功率80％，速度为400mm/s，加工数目2次，得到微结构。再次用去离子水和无水乙醇清洗硅片，将硅片表面的加工碎屑清洗干净，获得具有微结构的硅片。
(2)制备面带有微结构的Nafion膜
将光刻好的硅片放入石英玻璃模具(长×宽×高，56mm×56mm×40mm)底部，将48mL的Nafion溶液和12mL的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)混合后形成的混合溶液倒入石英玻璃模具中，加入DMF的目的是由于DMF的沸点较高，可以减缓溶剂的挥发，从而阻止Nafion溶液在凝固成膜的过程中产生裂纹；将混合溶液用磁力搅拌器搅拌2h，使溶液混合均匀，然后超声处理30min，除去溶液中的气泡；将浇铸模具放入真空干燥箱中进行热处理：初始温度设置为65℃加热24h，待溶剂完全挥发后成膜，再将温度升高到90℃保持3h，最后将将温度升高到135℃保持0.5h后退火，自然冷却至室温，去除Nafion膜的残余应力，获得厚度为0.7mm的具有仿生鲨鱼盾鳞微结构的Nafion膜。
(3)制备带有微结构IPMC
(a)Nafion膜的表面处理：将Nafion膜表面用喷砂机同向打磨粗糙，至两面完全不透明，打磨结束后用去离子水清洗表面，然后超声清洗35min除去表面杂质，2mol/L的盐酸溶液80℃水浴加热20min，最后用去离子水85℃水浴加热35min，得到处理好的Nafion膜。
(b)离子吸附：称量300mg的铂氨复合物([Pt(NH3)4]Cl2)配制成溶液，加入1mL5wt％的氨水溶液，维持溶液的酸碱平衡，得到混合液；在室温和避光条件下，将处理好的膜浸泡在混合溶液中14h。该步骤的目的是为了在膜表面初步生成金属电极层。
(c)主化学镀：用去离子水清洗经过离子吸附的膜，放入装有220mL去离子水的烧杯中，用恒温振荡器加热至40℃；每隔半小时加入4mL的质量浓度5％的NaBH4溶液，同时温度升高3℃；直到温度升至64℃时，加入35mL质量浓度5％的NaBH4溶液，反应4h后停止，然后用去离子水清洗并浸泡在0.2mol/L的盐酸溶液中15h。
(d)次化学镀：量取185mg的铂氨复合物和80mL去离子水配制成次镀液，用去离子水清洗经过主化学镀的膜，放入装有次镀液的烧杯中，用恒温振荡器加热至42℃；每隔半小时加入6mL的质量浓度5％NH2OH·Cl溶液和3mL的质量浓度20％NH2 NH2·1.5H2O溶液，同时温度升高3℃；直到温度升至62℃，然后用去离子水清洗并浸泡在质量浓度0.2％的盐酸溶液中10h。该步骤重复2次，以便获得较为均匀致密的铂金属电极层。
(e)离子交换：量取5g LiCl和100mg LiOH，加入90mL的去离子水配成交换液，用去离子水清洗次化学镀后的膜并浸泡在交换液中60h，结束后即可得到IPMC材料。
(4)制备自主减阻表面
将得到的带有微结构的IPMC剪裁成需要的几何形状，即可用于自主减阻表面，在表面的不同部位施加驱动信号，可以使得表面产生需要的变形。
本发明涉及了一种IPMC(ionic polymer–metal composites)电活性聚合物的主动减阻表面及其制备方法，该减阻表面由IPMC电活性聚合物(厚度约0.5mm)中间层和上下两个电极层构成，在受到外界压力时能变形产生电信号，具有自主感知外部流场环境变化的功能；通过模板复刻的方法，在IPMC表面引入仿生减阻微结构单元，随流场的变化通过施加电压(3-5V)产生变形，达到动态调整表面的微观形貌实现流场的主动控制，从而获得具有智能减阻的复合表面；较传统微观形貌固定的减阻表面相比，克服了仅在特定的流场环境中具有减阻效果的局限性，本发明基于IPMC的主动减阻表面结合传统减阻表面的微结构，可以满足各种复杂的流场环境，极大的拓宽了仿生表面的应用条件，并大大提高表面的减阻性能。

Claims (10)

1.基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料的制备方法，其特征在于，将具有仿生鲨鱼盾鳞微结构的硅片放入石英玻璃模具中，再将Nafion溶液和N,N-二甲基甲酰胺的混合溶液倒入石英玻璃模具中，然后加热成膜后退火，获得具有微结构的Nafion膜；
采用化学镀的方法在具有微结构的Nafion膜表面沉积贵金属电极层，得到表面具有微结构的IPMC电活性聚合物，剪裁，得到基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料。
2.根据权利要求1所述的基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料的制备方法，其特征在于，仿生鲨鱼盾鳞微结构包括若干微单元，每个微单元为对称结构，每个单元包括中心凸起，中心凸起的一侧设置有第一凸起与第二凸起，中心凸起的另一侧对称设置有第三凸起与第四凸起；第一凸起的长度小于中心凸起，第二凸起的长度小于第三凸起。
3.根据权利要求2所述的基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料的制备方法，其特征在于，Nafion溶液和N,N-二甲基甲酰胺的体积比为4:1。
4.根据权利要求1所述的基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料的制备方法，其特征在于，加热成膜的具体过程为：在60-70℃加热20-26h成膜，然后在90-100℃保持3-4h，最后于125-135℃保持0.5-1.5h。
5.根据权利要求1所述的基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料的制备方法，其特征在于，采用化学镀的方法在具有微结构的Nafion膜表面沉积贵金属电极层，得到表面具有微结构的IPMC电活性聚合物的具体过程为：将具有微结构的Nafion膜经过离子吸附、主化学镀、次化学镀和离子交换，得到表面具有微结构的IPMC电活性聚合物。
6.根据权利要求5所述的基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料的制备方法，其特征在于，离子吸附的具体过程为：将[Pt(NH3)4]Cl2)加入到水中，然后加入5wt％的氨水溶液，得到混合液；在室温和避光条件下，将具有微结构的Nafion膜浸泡在混合溶液中12-14h，使得每平方厘米膜上铂的质量为3-3.5mg；其中，[Pt(NH3)4]Cl2)与氨水溶液的比为257-300mg：1mL。
7.根据权利要求5所述的基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料的制备方法，其特征在于，主化学镀的具体过程为：将经过离子吸附的膜水中，加热至40-43℃，每隔半小时加入NaBH4溶液，并将温度升高2-3℃，直到温度升至61-64℃时，加入NaBH4溶液，反应2-4h后浸泡在盐酸溶液中10-18h。
8.根据权利要求5所述的基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料的制备方法，其特征在于，次化学镀的具体过程为：将171-199mg的铂氨复合物和80-100mL水配制成次镀液，将经过主化学镀的膜放入次镀液中，并加热至42℃，每隔半小时加入NH2OH·Cl溶液和NH2NH2·1.5H2O溶液一次，并将温度升高3℃，直到温度升至62℃，再将膜浸泡在盐酸溶液中10-18h；其中，铂氨复合物与水的比为171-199mg：80-100mL。
9.根据权利要求5所述的基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料的制备方法，其特征在于，离子交换的具体过程为：将LiCl和LiOH，加入去离子水配成交换液，将经过次化学镀的膜并浸泡在交换液中，将膜中的H+替换成Li+，得到IPMC材料。
10.一种根据权利要求1-9中任意一项所述的方法制备的基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料。
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