颗粒表面形貌对电流变液性能影响的机理研究

摘要

电流变液(Electrorheological Fluids，简称ERFs)是一种智能软材料，它通常是由可极化的微纳米尺寸的介电分散相分散在绝缘油中组成的一种智能流体。对其施加电场后，电流变液体系的微观结构和性能会发生明显的变化，因此电流变液被视为具有广泛应用前景的智能材料。纵观电流变液的各个研究阶段可以发现，大多数的研究致力于通过添加极性分子等手段以提高电流变液的剪切屈服强度及稳定性，而关于颗粒形貌对电流变液性能的影响研究甚少，且缺乏相关的机理分析。因此，本文利用溶剂热法制备表面粗糙的花状颗粒，以其为分散相制备电流变液，并与以光滑球形颗粒为分散相的电流变液进行性能对比，来分析颗粒形貌对电流变液剪切屈服强度、沉降稳定性等性能的影响，同时利用摩擦力模型进行粗糙颗粒之间摩擦力对电流变液性能影响的机理研究。研究的主要内容为:
　　(1)将纳米尺度结构和形貌引入微米尺度结构中，利用溶剂热法制备出表面粗糙的花状颗粒和表面光滑的球状颗粒。对花状颗粒和球状颗粒分别进行SEM，TEM，XRD，FT-IR，TGA表征，观察两种颗粒的形貌和尺寸，并对它们的成分进行分析，结果表明两种颗粒均为无定型态。结合两种颗粒的表征分析，进一步推理花状颗粒的形成过程。
　　(2)在静态测试模式下，对比两种颗粒电流变液的电流变性能，研究发现花状颗粒电流变液的电流变性能明显优于球状颗粒电流变液。花状颗粒表面的粗糙形貌有助于提高颗粒与基液的浸润性，增大颗粒间摩擦力，使花状颗粒电流变液获得较高的电流变性能。同时，测试了两种电流变液的沉降稳定性与时间的关系，将它们静置1天后，花状颗粒电流变液的抗沉降率为91.60％，而球状颗粒电流变液的抗沉降率则迅速降至8.49％。花状颗粒表面的刺状结构使其在硅油中不易团聚，并能够获得更大的浮力，所以花状颗粒电流变液的沉降稳定性明显优于以光滑球状颗粒为分散相的电流变液。
　　(3)在动态测试模式下，利用摩擦力模型分析颗粒间摩擦力对电流变液性能的影响。应变与模量变化关系的实验结果表明，在应变为0.1％时两种电流变液都处于各自的线性黏弹区，故后续的动态测试在0.1％应变下进行。对花状颗粒电流变液和球状颗粒电流变液的动态性能进行分析计算可以发现:在低电场强度下，颗粒间摩擦力τf对电流变液的性能起主导作用;在高电场强度下，颗粒间电场力τe对电流变液的性能起主导作用。花状颗粒表面粗糙的刺状结构使其获得了更大的颗粒间摩擦力，从而花状颗粒电流变液具有更好的电流变液性能。因此，颗粒间摩擦力是影响电流变液性能的重要因素。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 电流变液概述

1．2 电流变液研究进展

1．2．1 传统电流变液研究进展

1．2．2 巨电流变液研究进展

1．3 电流变效应的影响因素

1．3．1 分散相颗粒对电流变效应的影响

1．3．2 基液对电流变效应的影响

1．3．3 添加剂对电流变效应的影响

1．3．4 外场对电流变效应的影响

1．4 电流变液研究存在的问题

1．5 本课题研究的目的及内容

2 花状微米介电颗粒及电流变液的制备与表征

2．1 引言

2．2 花状微米介电颗粒及电流变液的制备

2．2．1 实验试剂

2．2．2 实验仪器

2．2．3 颗粒的制备过程

2．2．4 电流变液的制备过程

2．3 花状微米介电颗粒的表征方法

2．4 花状微米介电颗粒电流变液的性能测试

2．5 本章小结

3 花状微米介电颗粒电流变液的性能

3．1 引言

3．2 花状微米介电颗粒的结构表征

3．2．1 SEM表征

3．2．2 TEM表征

3．2．3 XRD表征

3．2．4 FT-IR表征

3．2．5 TGA表征

3．2．6 花状微米介电颗粒的形成机理

3．3 花状微米介电颗粒电流变液的性能

3．3．1 剪切屈服强度与电场强度的关系

3．3．2 漏电流密度与电场强度的关系

3．3．3 剪切屈服强度与剪切速率的关系

3．3．4 沉降稳定性

3．4 本章小结

4 颗粒表面形貌对电流变液性能的影响机理分析

4．1 引言

4．2 电流变颗粒的摩擦力模型

4．2．1 不同电场下颗粒的接触状态

4．2．2 电流变液的动态黏弹性

4．2．3 颗粒的摩擦力模型

4．3 颗粒表面形貌对电流变性能影响的理论分析

4．3．1 颗粒的表征

4．3．2 静态测试模式下的电流变液性能

4．3．3 动态测试模式下颗粒间摩擦力的研究

4．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢