纳米二氧化钛的晶型控制与稀土掺杂对电流变性能的影响

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电流变液在外加电场作用与撤除过程中粘度快速响应的性质,使之成为智能材料中引人注目的一支,然而,一般电流变液悬浮体系中常存在悬浮稳定性差、体系剪切应力小、响应速度慢等问题,因此设计抗沉降、易相变、强响应的新型电流变体系是推动电流变液实际应用深入发展的必由途径。二氧化钛因其具有较高的介电常数、低电导率且易于合成等特点,在制备高效电流变液中受到广泛地关注。本文以二氧化钛电流变液为研究对象,通过溶剂热法合成晶型可控的纳米二氧化钛,并通过稀土元素掺杂改性以期进一步提高其对电场的响应,细致地研究了合成工艺条件包括溶剂种类、掺杂元素种类与含量等对二氧化钛纳米粉体晶型控制与颗粒形貌的影响关系;进而通过偶联剂表面改性及与聚合物纳米复合等手段对合成二氧化钛纳米颗粒进行修饰与改性,以所制备制备二氧化钛电流变液悬浮稳定性;并在此基础上,系统地表征了所得电流变液悬浮稳定性与电流变行为特征,建立了二氧化钛晶型与颗粒形貌、掺杂元素种类与含量以及颗粒表面修饰与改性方法等因素对于电流变液电流变性能的影响关系,得到主要结果与结论如下:1.纳米二氧化钛的晶型控制及稀土掺杂:采用溶剂热法成功制备了纳米二氧化钛粉体,其晶型受到溶剂组成的调控:以氯仿为溶剂时所制备二氧化钛为金红石型,以甲醇为溶剂所合成二氧化钛为纯锐钛矿型,而以乙醇-丙酮为混合溶剂所制备得到的产物为金红石和锐钛矿型二氧化钛混晶;溶剂热反应温度与反应时间虽然未能对所合成二氧化钛纳米粉体晶型结构产生实质性影响,但其对于颗粒尺寸与形貌有着较大的影响,表现为:随着反应温度的提高、反应时间的延长,颗粒尺寸变大。采用溶胶-凝胶结合水热法制备稀土元素对二氧化钛掺杂改性,所获得二氧化钛晶型未有改变,其主要导致二氧化钛晶格的畸变;2.纳米二氧化钛的表面修饰及电流变液的制备:以硅烷偶联剂KH-570对稀土掺杂二氧化钛进行表面修饰,使之表面带有碳碳双键,进而与乙烯硅油分散相发生接枝反应,有效改善了二氧化钛纳米颗粒在乙烯硅油中的分散性,修饰率为0.5时,其分散效果最佳;此外,利用二氧化钛颗粒表面正电与聚合物微球表面负电之间的静电凝聚作用制备表面均匀吸附纳米二氧化钛的复合微球;3.纳米二氧化钛电流变性能的研究:通过沉降稳定性测试表面经过偶联剂修饰后的纳米二氧化钛与乙烯硅油分散液发生接枝反应,形成了缠结的三维“网状”结构,显著地提高了电流变液的沉降稳定性,可以长期放置无沉降;通过介电性能测试显示稀土离子的种类及掺杂量对介电性能有显著的影响且分散相纳米颗粒的含量越高,电流变液的介电常数越大。综合电流变液的沉降稳定性的改善与稀土离子掺杂提高纳米粒子介电性能,所得二氧化钛电流变液的流变性能得到明显地提升。
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