Ionic polymer-metal composites (IPMCs) are smart materials that exhibit large deformation in response to small applied voltages, and conversely generate detectable electrical signals in response to mechanical deformations. The study of IPMC materials is a rich field of research, and an interesting intersection of material science, electrochemistry, continuum mechanics, and thermodynamics. Due to their electromechanical and mechanoelectrical transduction capabilities, IPMCs find many applications in robotics, soft robotics, artificial muscles, and biomimetics. The current literature is sparce in multiphysics models that account for large deformations, coupled ion-solvent transport, the porous structure of the membrane, and lossy electrodes under finite-strains. This study addresses this by developing a new, hyperelastic porous media modeling framework for IPMCs using the principles of continuum thermodynamics and multiphasic materials. This framework compactly captures the broadest strokes of IPMC modeling methodologies, summarizing them in the form of general constitutive requirements placed on thermodynamic potential describing the polymer skeleton. A simple IPMC model is derived under this framework which captures the finite-strain deformation of a hyperelastic material, accounting for the coupled ion-solvent transport through the porous polymer, and resistive electrodes deforming with the skeleton. The resulting governing equations are further cast into a generalized nondimensional formulation, and an expansive set of unique dimensionless -groups are derived for IPMC actuator and sensor devices. This new framework and the nondimensional formulation lay the groundwork for future research and an expansive characterization of IPMC transduction phenomena via dimensional analysis.

离子聚合物-金属复合材料 (IPMC) 是一种智能材料，它在施加小电压时表现出大变形，并反过来产生可检测的电信号以响应机械变形。IPMC 材料的研究是一个丰富的研究领域，是材料科学、电化学、连续介质力学和热力学的有趣交叉点。由于其机电和机电转换能力，IPMC 在机器人、软体机器人、人造肌肉和仿生学中有许多应用。目前的文献很少涉及大变形、耦合离子-溶剂传输、膜的多孔结构和有限应变下的有损电极的多物理场模型。本研究通过开发一种新的、使用连续热力学和多相材料原理的 IPMC 超弹性多孔介质建模框架。该框架紧凑地捕捉了 IPMC 建模方法的最广泛内容，以对描述聚合物骨架的热力学势的一般本构要求的形式对其进行了总结。在此框架下导出了一个简单的 IPMC 模型，该模型捕获了超弹性材料的有限应变变形，考虑了通过多孔聚合物的耦合离子溶剂传输，以及电阻电极随骨架变形。由此产生的控制方程被进一步转化为广义的无量纲公式，以及一组广泛的独特的无量纲 该框架紧凑地捕捉了 IPMC 建模方法的最广泛内容，以对描述聚合物骨架的热力学势的一般本构要求的形式对其进行了总结。在此框架下导出了一个简单的 IPMC 模型，该模型捕获了超弹性材料的有限应变变形，考虑了通过多孔聚合物的耦合离子溶剂传输，以及电阻电极随骨架变形。由此产生的控制方程被进一步转化为广义的无量纲公式，以及一组广泛的独特无量纲 该框架紧凑地捕获了 IPMC 建模方法的最广泛内容，以对描述聚合物骨架的热力学势的一般本构要求的形式进行总结。在此框架下导出了一个简单的 IPMC 模型，该模型捕获了超弹性材料的有限应变变形，考虑了通过多孔聚合物的耦合离子溶剂传输，以及电阻电极随骨架变形。由此产生的控制方程被进一步转化为广义的无量纲公式，以及一组广泛的独特无量纲 在此框架下导出了一个简单的 IPMC 模型，该模型捕获了超弹性材料的有限应变变形，考虑了通过多孔聚合物的耦合离子溶剂传输，以及电阻电极随骨架变形。由此产生的控制方程被进一步转化为广义的无量纲公式，以及一组广泛的独特无量纲 在此框架下导出了一个简单的 IPMC 模型，该模型捕获了超弹性材料的有限应变变形，考虑了通过多孔聚合物的耦合离子溶剂传输，以及电阻电极随骨架变形。由此产生的控制方程被进一步转化为广义的无量纲公式，以及一组广泛的独特无量纲-groups 是为 IPMC 执行器和传感器设备派生的。这种新框架和无量纲公式为未来的研究和通过量纲分析对 IPMC 转导现象的广泛表征奠定了基础。