探究稀土纳米二氧化钛晶型制约和稀土掺杂对电流变性能影响

摘要：电流变液在外加电场作用与撤除历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,一般电流变液悬浮系统中常有着悬浮稳定性差、系统剪切应力小、响应速度慢等不足,由此设计抗沉降、易相变、强响应的新型电流变系统是推动电流变液实际运用深入进展的必由途径。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。本论文以二氧化钛电流变液为探讨对象,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升其对电场的响应,细致地探讨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制约与颗粒形貌的影响联系；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点,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策略等因素对于电流变液电流变性能的影响联系,得到主要结果与结论如下：1.纳米二氧化钛的晶型制约及稀土掺杂：采取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,体现为：随着反应温度的提升、反应时间的延长,颗粒尺寸变大。采取溶胶-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转变,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探讨：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,显著地提升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升纳米粒子介电性能,所得二氧化钛电流变液的流变性能得到显著地提升。关键词：二氧化钛论文晶型制约论文稀土掺杂论文表面修饰论文电流变性能论文

摘要2-4

Abstract4-9

1 前言9-22

1.1 概述9

1.2 电流变材料及其探讨进展9-14

1.2.1 电流变效应的机理、特点及影响因素9-11

1.2.2 电流变液的国内外探讨情况11-12

1.2.3 电流变液的运用前景和有着不足12-14

1.3 二氧化钛的制备策略及表面修饰14-15

1.3.1 纳米二氧化钛的制备策略14-15

1.3.2 纳米粒子的表面修饰15

1.4 稀土元素在电流变液中的运用15-16

1.4.1 稀土元素的引入策略15-16

1.4.2 稀土增强电流变效应的作用机理及影响因素16

1.5 本论文的探讨内容和探讨目的16-17

1.5.1 探讨内容16-17

1.5.2 革新点17

1.6 参考文献17-22

2 晶型制约及稀土掺杂纳米二氧化钛的制备22-49

2.1 引言22

2.2 实验部分22-25

2.2.1 试剂及原料22-23

2.2.2 仪器及设备23

2.2.3 实验步骤23-24

2.2.4 表征策略24-25

2.3 结果与讨论25-46

2.3.1 以氯仿为溶剂制备纳米二氧化铁的结构表征25-28

2.3.2 水热法的反应条件对产物结构的影响28-39

2.3.3 稀土掺杂纳米二氧化钛的结构浅析39-46

2.4 本章小结46-47

2.5 参考文献47-49

3 纳米二氧化钛的表面修饰及电流变液的制备49-66

3.1 引言49

3.2 实验49-51

3.2.1 实验药品49-50

3.2.2 实验仪器及设备50

3.2.3 实验步骤50-51

3.3 结果与讨论51-63

3.3.1 KH-570表面修饰纳米TiO_2(KH-570/TiO_2)的结构浅析51-56

3.3.2 KH-570/RE-TiO_2纳米颗粒的结构表征56

3.3.3 TiO_2/P(St/AA)复合微球的结构表征56-62

3.3.4 乙烯硅油接枝KH-570/RE-TiO_2颗粒的红外表征62-63

3.4 本章小结63

3.5 参考文献63-66

4 二氧化钛基电流变液的性能探讨66-93

4.1 引言66

4.2 测试策略66-67

4.3 结果与讨论67-90

4.3.1 电流变液的稳定性测试67-69

4.3.2 电流变液的介电性测试69-72

4.3.3 电流变液的稳态电流变性能测试72-81

4.3.4 电流变液的动态电流变性能测试81-90

4.4 本章小结90-91

4.5 参考文献91-93

结论与展望93-95

攻读学位期间发表的学术论文目录95-96

致谢96-97