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有机极性基团改性钛氧基复合电流变液材料的制备及性能研究
刘丰华
Subtype硕士
Thesis Advisor崔平 ; 许高杰
2010-05-30
Degree Grantor中国科学院研究生院
Place of Conferral北京
Keyword电流变液 有机极性分子 钛氧基化合物 屈服应力 剪切强度 尺寸形貌 表面改性。
Abstract电流变(Electorheological,ER)液通常是由可极化的介电粒子分散在绝缘油中组成的一种智能流体。在外加电场的作用下其流体属性(如粘度、模量、屈服应力等)发生快速、连续、可逆的显著变化,能够在液固之间进行转变。电流变液的神奇特性使得它可作为智能结构系统中的敏感材料和驱动材料,在离合器、阻尼系统、减震器、制动系统、无级变速、液体阀门、机电藕合控制、机器人等工业和技术领域有着广泛的应用前景。然而,电流变液材料综合性能的不足,如剪切强度低、稳定性差等因素严重地制约了电流变技术的工业化。 为进一步提高电流变材料的性能和长期稳定性,本项研究根据介电极化理论和极性分子模型,基于钛氧化合物的高介电常数和有机极性分子中极性基团的高偶极距,研究不同颗粒形貌、尺寸以及不同有机极性分子乙酸、乙酸铵、乙酸乙酯、乙二酸改性对钛氧基复合材料电流变性能的影响。以期获得对电流变材料性能的提高和调控,从而为新型电流变液材料的设计和合成提供一种有效的方法。 本论文的研究工作主要涉及以下几方面: 1、不同形貌和尺寸氧化钛电流变液的制备及性能研究。通过水热和醇盐水解法制备出不同形貌和尺寸的氧化钛颗粒,并对不同形貌和尺寸颗粒组成的悬浮液的介电性能、零场粘度和电致流变性能进行了表征。研究结果表明:颗粒的形貌和尺寸对电流变液材料的零场粘度和电流变效率有较大影响。表面粗糙的花形颗粒和海胆形颗粒比单一的球形或棒状颗粒具有更高的电流变效率。减小颗粒粒径,有利于提高材料的屈服应力,但同时也导致零场粘度增加;低体积分数时,不同粒径颗粒悬浮液的零场粘度随固体体积分数的增加线性上升;当体积分数增加到某个临界值时悬浮液的粘度开始非线性上升,颗粒粒径越小其悬浮液粘度非线性上升开始的临界值越低,非线性越明显。 2、有机极性分子表面改性氧化钛及其电流变性能研究。为进一步提高氧化钛材料的电流变性能,在对不同形貌、尺寸、晶态结构的纯氧化钛电流变性能的研究基础上,选用含羧基的乙酸、乙酸铵、乙酸乙酯分子对无定形氧化钛颗粒进行表面改性,研究极性基团表面改性对氧化钛颗粒的电流变性能及材料稳定性的影响。研究 i 有机极性基团改性钛氧基复合电流变液材料的制备及性能研究 ii 表明在颗粒形貌和尺寸不变条件下,极性分子乙酸、乙酸铵在氧化钛颗粒表面的吸附改性可以显著提高材料的电流变性能,同时极性分子在颗粒表面的吸附方式对颗粒性能的稳定性有明显影响,通过化学吸附的极性分子更稳定。 3、乙二酸原位改性氧化钛颗粒的制备及电流变液性能。在极性基团表面改性可以显著提高材料电流变性能的研究结果基础上,通过醇盐水解-乙二酸原位缩合法可控制备含大量羧基的氧化钛纳米颗粒。研究结果表明:相比表面改性,原位改性的无定形氧化钛颗粒具有更高的电流变性能。乙二酸分子通过原位缩合反应均匀地分散于颗粒的微观结构网络中,显著地增强了颗粒的表面和内部极化能力,从而进一步提高材料的电流变效应。 4、乙二酸络合沉淀法制备Ca-Ti-O颗粒及其电流变性能。为对Ca-Ti-O材料制备过程进行优化,并进一步研究乙二酸基团在Ca-Ti-O电流变液中的作用,以期实现Ca-Ti-O颗粒的稳定制备和进一步提高材料的电流变性能。通过采用络合沉淀法同时控制反应物溶液中pH值和络合剂乙二酸摩尔比,实现了对Ca-Ti-O产物物相组成的稳定控制,同时通过控制反应体系中醇水比和钙离子沉淀剂的滴加速度,控制了产物形貌,合成出分散性较好的纤维状结构颗粒,该形貌颗粒的电流变液具有很好的抗沉降性和较高的静态电流变效率。 5、乙二酸络合沉淀法制备Zn-Ti-O颗粒及其电流变性能。为进一步确认含极性羧基的乙二酸基团对钛氧基电流变材料的高电流变效应的影响和开发新的高性能电流变液材料体系,本节用Zn取代沉淀剂Ca,同样通过络合沉淀法制备了Zn-Ti-O基电流变液颗粒。研究结果表明通过换用Zn2+离子做沉淀剂,也能成功制备出具有较好电流变性能的Zn-Ti-O纳米颗粒,Zn-Ti-O和Ca-Ti-O颗粒的高电流变效应进一步说明羧基极性基团在钛氧基电流变材料中的重要作用。 同时,为进一步改善Zn-Ti-O材料的电流变性能,在乙二酸络合共沉淀反应制备Zn-Ti-O颗粒基础上,研究了表面活性剂SDBS的添加对Zn-Ti-O颗粒形貌、介电性质、电流变性能的影响。结果表明适量表面活性剂SDBS的添加,可有效提高颗粒表面粗糙度,进一步提高颗粒表面极化能力,从而进一步提高材料的电流变性能。
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.nimte.ac.cn/handle/174433/525
Collection硕/博士论文成果
Recommended Citation
GB/T 7714
刘丰华. 有机极性基团改性钛氧基复合电流变液材料的制备及性能研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2010.
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