二氧化钛基电流变液的结构与性能研究

二氧化钛基电流变液的结构与性能研究
电流变液主要是由可极化的颗粒分散在绝缘油体中组成的一类两相流体,其流变性能在电场作用下可以发生瞬时可逆的变化,这种效应来源于在电场作用下电流变液内邻近的颗粒相互吸引形成了沿电场方向排列的链状结构。

由于电流变液对电信号快速可逆的响应,因此在离合器、减震器、制动领域中具有广阔的应用前景。

到目前为止,已经有多种材料应用于电流变领域中,其中包括无机半导体和导电聚合物。

在众多电流变材料中,TiO₂由于具有高介电常数、热稳定性、制备方法多样、产品无毒等优点,因此一直被认为是可以具有较好的电流变性能。

然而,纯TiO₂的电流变效应限制于电导率不高,界面极化不强,极化能力不佳导致其屈服应力不足,抗沉降性能和热稳定性较差。

另一方面,通过引用核壳结构,空心结构,纳米复合,2D材料等设计制备了一系列
TiO₂基纳米颗粒,采用XRD,SEM,TEM,XPS,EDS,FT-IR,TG等对所得产物进行了表征,研究了不同形貌和结构对电流变性能的影响,提供了多种具备优异电流变性能的设计思路,探索了相应的极化机理。

以下为主要实验内容和结果:（1）以乙醇和异丙醇作为共同溶剂,利用溶剂热法成功制备出空心碗状TiO₂颗粒,并且探究得到奥斯瓦尔德熟化作用为碗状形貌的形成机理。

然后利用SEM和颗粒粒径测试记录了
TiO₂颗粒形貌从实心球到碗状空心球的演化过程,TEM照片进一步验证了空心结构的存在;同时XRD测试证实所得TiO₂颗粒的晶体结构是锐钛矿相。

最后,将碗状TiO₂颗粒分散在硅油中形成的电流变液在电场作用下表现出很强的电流变效应。

兼具优异的温度效应和抗沉淀稳定性。

（2）以钛酸纳米纤维作为前驱体利用水热法制备出暴露（100）晶面的锐钛矿TiO₂,SEM、TEM和XRD分别用来表征颗粒的表面形貌和晶体结构。

发现了在制备过程中OH^-对锐钛矿TiO₂（100）晶面的选择性吸附作用是（100）面最终暴露的原因。

电流变测试表明暴露（100）晶面的颗粒在3 kV/mm的电场作用下电流变效率为52.5,并且发现暴露（100）晶面的颗粒突出的电流变效应来源于这种特殊形貌的各向异性。

（3）采用溶剂热法制备了MOF-Ti金属有机骨架纳米粒子,再利用MOF-Ti（ML-125）为前驱体在空气气氛下煅烧后成功制备出介孔
TiO₂,在烧结过后,TiO2颗粒不仅保留了MOF的多孔结构和特殊形貌并且具有大的比表面积。

然后将介孔TiO₂颗粒分散在硅油中得到重量比为10%的电流变液,在控制剪切速率模式下对电流变液的流变性能进行了测试。

相比于MOF-Ti 基的电流变液,介孔TiO₂基电流变液表现出更高的电流变效率和较低的漏电流密度。

最后通过介电谱结果发现电流变效应的提升来源于介电性能的提高。

（4）用两步水热法成功制备出均匀包覆的花状TiO₂@MoS₂核壳结构,首先用溶剂热法制备得到花状TiO₂前驱体基底,然后在葡萄糖分子和Ac^-离子的作用下成功将片状MoS₂包覆在TiO₂基底上,成功制得兼具核壳和多级结构的
TiO₂@MoS₂纳米复合颗粒,最后将多级
TiO₂@MoS₂复合材料分散在硅油中形成重量比10%的电流变液。

由于TiO₂@MoS₂复合材料结合了片状
MoS₂的导电性和多级TiO₂的介电性,所以电流变液在电场作用下表现出较高的屈服应力和快速的电场响应,通过介电谱测试发现是大的介电常数差和介电损耗导致了颗粒界面极化的提升,因此电流变性能得到了增强。