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分子极化型和离子极化型电流变效应的基础研究

谭鹏  
【摘要】: 在外加电场作用下,胶体颗粒会呈现出一系列丰富的现象,如颗粒的电泳,Quinckerotation,电流变性等等。这一系列现象的起因是颗粒周围存在的Lorentz局域电场和外加电场的相互作用,或近邻颗粒周围Lorentz局域电场间的相互作用。因此,研究颗粒间的Lorentz局域电场分布,对深入理解电场下软物质的性质有着重要的意义。在实际体系中,因为剪切力,布朗运动的存在,胶体颗粒总是处于运动的状态,因此研究Lorentz局域场的动态响应更能贴近实际体系。运用了CT原理和铌酸锂晶体的电光效应,我们测量了旋转金属颗粒间的Lorentz局域电场的动态分布。实验发现:随着颗粒的转速的提高,金属颗粒间的Lorentz局域电场会下降,在颗粒转速1600RPM,外加电场分别为20V/mm,30V/mm,40V/mm时,Lorentz局域电场与静态时相比分别下降了8.9%,6.4%,6.46%。随着转速的提高(0-1600RPM),下降率的降低很明显。 应用多镜像原理和WYG理论,我们对实验结果做了理论计算与拟合。计算表明颗粒表面极化电荷的弛豫时间在毫秒量级,随着颗粒转速的提高,弛豫时间呈幂指数下降。基于对实验过程,数据的细致分析和理论模拟,发现颗粒在外电场下极化后,表面的极化电荷吸附了油液中溶解的少量气体或液体分子,从而使颗粒的弛豫时间在毫秒量级,这样很好的解释了金属颗粒问Lorentz局域场的动态行为。这一现象的发现与理论解释,对于由Lorentz局域场的响应导致的物理现象的实际应用有着重要的意义。 与传统介电型电流变液相比,极性分子型电流变液具有远超于其的屈服应力,线性的τ-E关系和截然不同的尺寸效应。传统的介电型电流变效应是由两个介电颗粒之间的相互作用导致的,已经得到了很好的理论解释。极性分子型电流变液颗粒是由极性分子包裹高介电常数的介电核所构成的。已有的理论不能很好的解释已报道的多种极性分子型电流变液。 基于已报导的对介电核-极性分子壳层颗粒结构的极性分子型电流变液的物理参量与特性的实验研究,我们选取了合理的物理参量,用有限元方法计算了极性分子型电流变液颗粒间的局域电场分布。计算发现在局域场下,颗粒最表层的极性分子可以沿电场方向发生取向极化,进而增强颗粒间的局域电场,从而使取向极化达到饱和。通过对近邻极性分子型电流变液颗粒饱和取向极化层间的相互作用能的计算,可以得到极性分子性电流变液的屈服应力。我们对已报道的材料选取了对应实际的物理参量做了理论计算,计算的τ-E曲线和实验曲线符合得很好。这表明近邻颗粒间,饱和取向极化的表面极性分子层间的相互作用,是巨电流变液现象的根源。 我们对极性分子型电流变液的进一步理论研究表明,极性分子性电流变液只在低频外加场下起作用(<10~(-3)HZ)。极性分子性电流变液的颗粒尺寸越小,极性分子壳层越薄,其屈服应力越大。当颗粒尺寸小到一定程度时,极性分子取向极化刚好达不到饱和,这时屈服应力达到最大值。当壳层很薄至单层极性分子时,极性分子型电流变液达到其屈服应力最大值。选取尿素为极性分子,计算的屈服应力极值为628.5KPa@5KV/mm。 离子型电流变体系可以作为一个定量的模型,很好的研究离子在控制胶体颗粒电相互作用中所起的作用。我们选取了80纳米直径的TiO_2颗粒作为基础,然后在上面沉积了不同量的NaCl离子,最后再吸收不同量的水分,形成不同浓度盐溶液薄层包覆的二氧化钛颗粒。我们研究了颗粒和硅油混合体系在电场下(0-1KV)的流变行为和电导率,发现离子电流变体系的屈服应力大大高于未经处理的二氧化钛电流变体系,此外,离子电流变体系在不同的离子添加浓度下屈服应力都出现了一个峰值。这个峰值的峰位和大小,可以很好的由离子浓度来调控。出现这种现象的原因是硅油水界面对离子的限制作用和纳米颗粒对离子的吸附作用,这种作用使在离子表现出极化态和传导态的竞争。以有效介质理论作为基础,结合界面对离子的限制作用,我们对此现象做了一个很好的理论模型。这个理论模型与实验结果有很好的对应。这个实验发现,在胶体科学,材料制备,生物物理方面有潜在的应用,所建立的理论模型对控制胶体颗粒电相互作用具有很好的指导意义。


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