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纳米化电流变材料制备及其性能研究

王宝祥  
【摘要】:电流变液(electrorheological fluids,简称ER流体)由于在外电场作用下其性能的可调节性被称为智能材料,它通常是由高介电常数的微小颗粒分散在低介电常数的绝缘液体中形成的悬浮体系。当对它施加电场时,其粘度、剪切强度瞬间变化几个数量级并表现出类固体的性质。它在工程技术诸如减震器、离合器、控制阀、阻尼器等机电转换方面具有广阔的应用前景;近年来,又扩展到人工肌肉、印刷、光子晶体、触觉显示等新兴领域。与颗粒极化相关的介电参数如介电常数、电导率、损耗角正切等是材料电流变性能的重要参数,因而可以通过对分子或结构的化学设计来改变材料的介电性能和极化特征,进而设计出电流变性能优异的材料。 根据介电极化理论,从电流变液材料物理设计的介电常数、电导率和介电损耗等参数出发,采用插层法、溶胶-凝胶法、改性水解法等方法制备了三系列的纳米复合材料。着眼于从材料的化学结构调节,以期获得对电流变材料性能的调控,从而为电流变材料的化学设计提供一种有效方法。 在本项研究中,分别制备了以高岭土为基的纳米插层系列、高岭土基的核壳型纳米包覆系列、氧化钛纳米颗粒系列电流变材料,通过X射线衍射、红外光谱、扫描电镜、透射电镜、元素分析、热重分析等对它们的结构进行了表征。利用上述材料与甲基硅油配制了无水电流变液,研究它们的电流变性质。论文创新和有价值的工作涉及以下几方面: 1.采用二次插层取代的方法,用二甲基亚砜作前驱体,先将极性液体二甲基亚砜直接插入到高岭土片层之间,然后再用进行二次插层取代,夹带入羧甲基淀粉,制备了高岭土/羧甲基淀粉剥离型的插层复合物。对介电和电导性能的测量显示羧甲基淀粉插层引起复合材料电流变液的介电常数和电导率升高,其介电常数是纯土电流变液介电常数的2.07倍,是羧甲基淀粉电流变液的1.78倍;电导率是纯土的2.73倍。复合材料电流变液的电流变活性获得大幅提高,表现出明显的协同效应。并发现羧甲基淀粉的加入量与电流变性能有密切关系,组分质量比接近1:1时,出现了较强的协同效应,电流变效应最强。 2.从物理设计和化学设计出发,研制了一种高岭土/二甲基亚砜/羧甲基淀粉三元纳米复合电流变液材料。该体系采用二步复合法制备,即先将极性液体二甲基


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