中空TiO2微球的制備及其電流變性能研究.pdf

1、電流變液作為一種新型的智能材料，通常為納米或微米級的具有高介電常數(shù)與低介電常數(shù)的分散介質(zhì)均勻混合而成的懸浮體系。該體系在室溫下呈液態(tài)，在電場作用下，懸浮顆粒發(fā)生極化并且相互吸引形成沿電場排列的鏈狀結(jié)構(gòu)，此鏈狀結(jié)構(gòu)隨著電場的消失而消失。此時，其流動狀態(tài)（一般是指表示其流動阻力的表觀粘度）和流體的屬性會在毫秒內(nèi)發(fā)生連續(xù)、可逆的顯著變化，實現(xiàn)液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變。低能耗、快響應(yīng)以及可逆性等特征使得電流變液在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都得到了廣泛的應(yīng)用。然而，

2、相對低的極化力使電流變液的商業(yè)化至今仍然受到限制。無機分散相材料的密度問題常常引起分散相在基液中發(fā)生沉淀團聚現(xiàn)象，并通過擾亂成鏈過程極大降低電流變效率。據(jù)此，從改善沉降穩(wěn)定性的理念出發(fā)，本文采用溶膠凝膠法和犧牲模板法制備低密度的中空 TiO2微球，揭示中空球形TiO2基電流變液的極化機理。本文研究內(nèi)容如下：
　　(1)為得到形貌最佳的中空 TiO2微球，本實驗對樣品制備過程的影響因素進行了深入探討，最后得出制備中空TiO2微球的最

3、佳實驗條件。
　　(2)為研究分散相顆粒密度對電流變性能的影響規(guī)律，我們以犧牲模板法結(jié)合溶膠凝膠法及部分刻蝕工藝成功制備了帶有不同 SiO2內(nèi)核的單分散蛋黃狀SiO2/TiO2核殼復(fù)合微球。電流變結(jié)果顯示，蛋黃狀 SiO2/TiO2核殼復(fù)合微球電流變性能隨著SiO2內(nèi)核的減小而顯著增大，這主要是由密度變小的分散相顆粒在電場中提高的電場力所致。結(jié)合介電譜分析，我們發(fā)現(xiàn)低頻段(10-2-100 HZ)參數(shù) K（介電曲線在0.01 HZ

4、處斜率的絕對值）能夠表征極化顆粒在電流變液中的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向率。與電流變效應(yīng)比較分析，?ε′(100 Hz–100 kHz)僅能表示電場作用下電流變液界面極化的瞬時強度，嚴重忽視了極化分散相顆粒在電流變液中存在轉(zhuǎn)向排布的問題。而在10-2-105 HZ范圍內(nèi)計算得到的極化率?ε′(0.01 Hz–100 kHz)更適用于分析電流變體系。本章深入討論了分散相顆粒的極化率、參數(shù)K與電流變性能的相互關(guān)系。
　　(3)為了研究電流變液分散相顆粒

5、在形成鏈狀結(jié)構(gòu)前后分布狀態(tài)的改變，本文成功制備了中空TiO2微球，并將其分散到不同粘度的硅油中形成電流變液。電流變結(jié)果顯示，低粘度的中空TiO2球電流變液比高粘度電流變液具有更好的電流變效率，因為低粘度電流變液具有更好的保持鏈狀結(jié)構(gòu)的能力。通過介電性能分析可知，低頻段電流變液介電常數(shù)的升高來源于電流變液中極化顆粒分布狀態(tài)的改變。極化顆粒分布狀態(tài)的改變會引起柱狀結(jié)構(gòu)區(qū)域周圍電場強度的升高，我們將其稱為“二次極化”。二次極化的產(chǎn)生能導(dǎo)致極化

6、顆粒表面電荷的增多，從而進一步提高極化顆粒間的靜電力。而且，由二次極化引起的極化電荷增加幅值大大高于由界面極化引起的電荷增加量，由此說明二次極化對電流變現(xiàn)象具有重要意義。
　　(4)為了進一步提高中空 TiO2球的電流變效應(yīng)，我們將高溫煅燒得到的銳鈦礦相中空 TiO2在純氫氣氣氛下在煅燒得到 Ti3+自摻雜的中空 TiO2球。根據(jù)掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、紫外-可見分析可知，中空球在氫化后保持了完整的中空結(jié)構(gòu)，在氫化過程中，