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TiO2电流变液的行为及其性能研究

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TiO2电流变液的行为及其性能研究

第33卷2010丘第6期l1月兵器材料科学与工程ORDNANCEMAIERIALSCIENCEANDENGINEERINGV01.33No.6Nov.,2010TiO2电流变液的行为及其性能研究谭锁奎,宋晓平,纪松,郭红燕,王耀军,赵红,1.中国兵器科学研究院宁波分院,浙江宁波3151032.西安交通大学理学院,陕西西安7100493.大连理工大学材料科学与工程学院,辽宁大连116024摘要通过力学性能试验,形貌观察重点研究TiO微粒电流变液的电流变行为和性能。结果表明,经过尿素、三乙醇胺和十二烷基苯磺酸钠等分子改性可显著提高TiO微粒的电流变液的性能,而且电流变液的性能与Urea含量密切相关。适量的Urea可使电流变液链变多变粗,并有交织现象出现,当Urea含量达到3O%时,其电流变液的性能达到最大。关键词电流变效应TiO2微粒电流变液形貌。中图分类号TB381文献标识码A文章编号1004244X201006005405ElectmrheologicalbehaviorandpropertiesofTi02particlesTANSuokui一,SONGXiaoping2,JISong,GUOHongyan,WANGYaojtin,ZHAOHong31.NingboBranchofChinaAcademyofOrdnanceScience,Ningbo315103,ChinaXianJiaotongUniversity,Xian710049,China3.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalianl16024,ChinaAb6ThebehaviorandpropertiesofTiO2electrorheologiealfluidwerestudiedbymechanicalpropertiestestandmicrostructureobservation.eresultsshowthatelectrorheologicalpropertiesCallbesignificantlyimprovedbymodifyingwithUrea、TriethanolamineandSDBS.ElectrorheologicalpropertiesarecloselyassociatedwithUreacontent,thecolumnstructurewillbecomemore,thickerandinterweavewithappropriateamountUrea.WhenthemassratioofUrea/Tiis30%,theshearstressofTiO2electrorheologicalfluidreachesthemimum.KeywordselectrorheologicaleffectTiO2particlesERmicrostructure电流变液Electrorheologicalfluid是固体微粒分散于绝缘油中形成的悬浮体系。当对它施加电场时,其粘度、剪切应力在毫秒级的时间内急剧增大,当外场撤去以后.它又可以在毫秒时间内恢复到液态,这种变化可逆、连续,表现出良好的电控力学行为,在交通工具、液压设备、机械制造业、传感器技术等领域具有广泛的应用前景。但是目前电流变材料的强度较低、易于沉降.尚不能满足工程应用需要。用不同极性分子修饰TiO微粒作为电流变液分散相,对其电流变行为及性能进行了研究。1试验方法采用化学方法制备TiO、TiO2/Z.乙醇胺、TiOJUrea、TiO2/SDBS十二烷基苯磺酸纳等复合微粒,将其加入到氟化硅油和二甲基硅油混合液的复合基液中.配制成电流变液。将微粒在乙醇中超声分散均匀,置于透射电镜铜网上.在透射电镜TEM上观察微粒结构在傅立叶红外光谱分析仪FTIR上进行官能团检测在X射线衍射仪XRD上对微粒进行晶体结构分析。电流变液的剪切应力、漏电流密度用NXSllA型I。、照相机奥林巴斯显微观察系统图1电流变液结构形态观察系统Fig.1MierostructureobservationsystemofER旋转粘度计测量。通过微型电流变液槽,在具有照相及摄像一计算机即时监控功能的SZX12型Olympus正置显微镜上对直流电场下的微粒的成链过程、结构形态进行观察,实验装置如图1所示。观察时,将电流变液滴入到粘接在玻璃片上的间距为lmm的两铜板组成的空隙内.施加电场,通过摄像镜头和相机采集图像,在计算机上实时观察。实验中采用显微镜的放大倍率为225倍.电极问施加的电场强度在0~4kV/mm可调.电流变液微粒质量分数为l0%~30%。2试验结果与分析图2为TiO固体微粒的能谱分析图。可以看出,所制备的微粒含有氧和钛元素,可以推断为TiO。图3为TiO微粒的TEM形貌图。氧化钛分布比收稿日期20100427修回日期20100802作者简介谭锁奎,男,研究员,在职博士研究方向为功能材料。Emailtansuokui126.coln。第6期谭锁奎等TiO电流变液的行为及其性能研究55I.0o2.0o3.0o4.005.006.007.008.009.00eV图2氧化钛微粒的能谱分析图Fig.2EnergyspectrumofTiO2particles图3氧化钛微粒的TEM形貌Fig.3TEMmorphologyofTiO2particles较均匀,微粒大部分成球型,而且其微粒有部分团聚的现象,TiO微粒尺寸在0.1m左右。2_1不同极性分子掺杂的电流变性能及结构图4为3种微粒的红外光谱图。经三乙醇胺、Urea表面改性的TiO微粒有很明显的峰值,在3450,l400cm处有强烈的OH峰.经三乙醇胺改性的微粒在2945cm处有CH吸收峰.表明微粒已被改性。图5是3种微粒的电流变性能、漏电电流密度曲线图。尿素掺杂TiO的电流变液的剪切强度可达到60kPa,而三乙醇胺掺杂TiO2的为26kPa,纯TiO2只有1kPa。电流变液的漏电电流密度随着表面修饰分子的加入呈增大趋势.如电场强度为4kV/mm时纯TiO、Ti02/乙醇胺、TiO2/Urea的漏电电流密度为20,35,45lxA/cm。2.2SDBS改性的TiO2微粒电流变性能图6为TiO、TiOJSDBS微粒的红外光谱图。经SDBS表面改性的TiO微粒有很明显的峰值.在图4TiO微粒包覆不同的表面话性分子的FTIR图Fig.4兀IRpatternsofthedifferentTiO2systemparticles蠢静避面删田蓦电场强度/kVmm电场强度/kVmm图53种微粒的电流变性能曲线图Fig.5Electrorheologicalpropertiesofth.ekindsofTi01partietes图6TiO2微粒包覆不同的表面活性分子的FY|R图Fig.6FTIRpatternsofthedifferentTiO2systemparticles3450,l4O0ca处有强烈的OH峰.表明微粒被改性。经过掺杂SDBS,TiO2在3450,1500cm处同样出现了OH伸缩振动峰。同时在3450cm处的峰高基本一致,但在1500cm处明显要陡。图7为经过SDBS修饰的TiO微粒的电流变液性能。经过SDBS修饰的TiO微粒的电流变液性能明显高于纯TiO微粒的电流变液性能。在所加电场强度为4kV/mm时,纯TiO2微粒的电流变液剪切强度为3kPa,而经过SDBS修饰的TiO2微粒的电流变液的剪切强度为17kPa而且在同样电场下的漏电电流增加不太明显,如在所加电场强度为4kV/mm时,纯TiO微粒的电流变液的漏电电流为20pA/cm.而经过SDBS修饰的微粒的电流变液的漏电电流为25pLAlcm。2.3不同处理温度下TiO微粒的电流变性能图8是掺杂尿素的质量分数为30%时.不同热处理温度下120,320,500oC的红外光谱。由图可知,120℃烘干的TiO微粒在3450,l500em附近处出56兵器材料科学与工程第33卷电场强度/kVrllln图7SDBS修饰的TiO2微粒的电流变液性能Fig.7ElectrorheologicalpropertiesofTiO2particlemodifiedby图8TiOJUrea微粒经过不同处理的17FIR红外光谱图Fig.8FTIRpatternsofTiOJureaparticlesheattreatedatdifferenttemperatures现了较强的OH伸缩震动峰.在400~800ClTI处出现了弱的Ti一0键震动峰,说明涂层中存在无定形的钛氧化物。在1376am附近出现了CO伸缩振动峰,显示该微粒表面存在较多的极性基团,尿素成功地掺杂到涂层内。经320,500oC热处理的TiO2/Urea微粒与120cC处理的相比,仅存少量0一H峰,其中CH和CO峰消失.表明较高的热处理温度使极性基团减少。500℃加热的TiO2/Urea微粒的红外光谱无极性基团特征峰存在,说明微粒表面极性基团脱附、消失。图9是掺杂尿素的质量分数为30%时,经不同处理温度下120,320,500℃的XRD图。可看出微粒经120cI烘干后,没有出现与钛氧化物相关的衍射峰。经320℃处理后的Ti02/Urea微粒中出现了TiO的尖峰,而5oo℃加热的TiOJUrea微粒出现更多的钛氧化物的衍射峰,表明TiO在高温下发生了更多类型的晶体转变图10为微粒在不同处理温度下的TiO2/Urea电流变液剪切强度的关系。可看出,在其他条件相同时不同的微粒处理温度,其电流变液的剪切强度不同。TiO掺杂尿素质量分数为30%时,经120℃烘干纳米微粒配制的微粒体积分数30%时.电流变性能最佳.剪切强度可以达到60kPa。经320℃热处理后剪切强度为5kPa,而500oC热处理的基本失去电流变效应。经120cI烘干的TiO2/Urea微粒,存在OH、CH和CO极性基团,当温度到320oC时,极性基团大部分分解,微粒表面只有少量的OH基团,导致电流变强度较低,经500℃加热后极性基团全部分解,微粒表面极性基团消失,电流变强度最低,甚至低于Ni/TiO电流变液。这一结果表明极性分子尿素可以显著提高TiO微粒的电流变性能,电流变强度增强的原因是微粒表面产生的极性基团的作用。2.4不同Urea掺杂对TiO2微粒的电流变性能及结构的影响图1l是掺杂不同含量尿素的微粒的红外光谱。可以看出,掺杂尿素质量分数为10%、20%、30%微粒的红外光谱曲线类似,在3450,l450am处均出现了振动峰,但随含量的增加峰变得愈来愈低。图12是掺杂不同含量尿素的微粒的电流变液的剪切强度与电场强度的关系图。可以看出,随着掺杂尿素浓度的增加,电流变液的剪切强度随之增大.在尿素图9TiOJUrea微粒经过不同温度处理的XRD图谱Fig.9XRDpatternsofTiOreaparticlesheattreatedunderdifferenttemperatures电场强度/kVmill图l0微粒处理温度与TiOUrea电流变液剪切强度的关系Fig.10RelationshipoftemperatureandshearstressofTiOJUreaER第6期谭锁奎等TiO电流变液的行为及其性能研究图ll掺杂不同浓度Urea的TiOJUrea微粒的3IR红外光谱图Fig.IlFT.IRpatternsofTiOJUreaparticleswithdifferentUreaconcentrationEi静避脚嘿电场强腰/kVmill图l2不同电场强度下电流变液的剪切强度、漏电电流密度与尿素加入量的关系Fig.12Shearstress,leakagecurrentdensityVStheadditionofUreaunderdifferentelectricfields质量分数为20%时电流变液的性能大幅度的提高,当掺杂尿素质量分数为30%,微粒的电流变性能最佳,其剪切强度可达到60kPa。以上研究表明.随着电场强度的增加剪切强度增加.极性分子尿素的含量对电流变液的性能有一定的影响,如果极性分子过多,会导致高压击穿电流变液。包覆极性分子的TiO微粒与硅油组成的电流变液比纯TiO电流变液有更高的电流变活性。尿素所具有的多羟基以及微粒的表面电导可能得到改善。2.5TiO。微粒电流变液的形貌当施加电场时.电流变液中的微粒形成跨越两极的链或柱,电流变强度取决于微粒间的结合强度和链、柱结构的形貌.细柱的力学性能较弱。致密粗壮的柱具有较大的抗剪切强度,且粗柱中的微粒结构更稳定。图13为TiO电流变液在不同电场强度下的形貌。可以看出.随电压增加,电流变柱变多变粗,并出现相互交的现象。图14~l6分别为Ti02/10%Urea、TIO2/20%UreaTiO2/30%Urea电流变液在不同电场强度下的形貌。又比分析可知。相同成分的电流变液随电场强度的增加电流变柱变多变粗,并出现相互交织的现象其他条1相同.随Urea含量的增加,电流变柱变多变粗,相互织的现象越来越多,这与其剪切强度随电场强度的化结果相一致。图13TiO电流变液在不同电场强度下的形貌225xFig.13MorphologiesofTi02ERunderdifferentelectricfields225x潮图14TiO/10%Urea/Ti电流变液在不同电场强度下的形貌221Fig.14MorphologiesofTiOJl0%UreaffiERunderdifierentelectricfields225x.㈣嚣鞠...■■n量..兵器材料科学与工程第33卷图15TiO/20%Urea/Ti电流变液在不同电场强度下的形貌225xFig.15MorphologiesofTIO20%Urea,nERunderdifferentelectricfields225x量零■鼍▲龟图16TiOJ30%Urea/Ti电流变液在不同电场强度下的形貌225xFig.16MorphologiesofTiOd30%Urea/TiERunderdifferentelectricfields225x、3结论1掺杂极性分子的TiO微粒的电流变液,随着电场强度的增加.其剪切强度提高,掺杂极性分子的TiO的电流变液比纯TiO微粒具有较高的剪切强度。掺杂物及掺杂浓度不同的电流变液,剪切强度变化趋势不同。极性分子对电流变液的性能有加强的效果,但如果极性分子过多.会导致高压击穿电流变液。2随核壳TiOJUrea微粒中尿素含量的增加,电流变液剪切强度增加,当尿素加入量达到30%时,电流变液剪切强度最大,达到40kPa4kV/mm直流电场,是无尿素的TiO核壳微粒的l0倍。但过量的尿素使电流变活性降低。随核壳TiO2/Urea微粒处理温度的升高,核壳微粒的电流变性能降低。3随着核壳TiOdUrea微粒中尿素含量的增加,柱由疏而细变得密而粗,使电流变强度提高。4TiOYUrea微粒热处理温度对其电流变活性有较大影响,热处理温度高于120℃后剪切强度明显降低。5同等条件下TiOJZ乙醇胺电流变液的剪切强度达到36kPaTiOdSDBS电流变液剪切强度为17kPa。4参考文献1HuY.EffectsofaninnerhelmhohzlayeronthedielectricdispersionofcolloidalsuspensionsJ.Langmuir,1998,14271.2TaoR,SunJM.ThreedimensionalstructureofinducedelectrorheologicalsolidJ.PhysRevLett,1991,67398401.3DavisLD.FiniteelementanalysisofparticleparticleforcesineleetrorheologicalfluidsJ.ApplPhysLett,1992,603319.4DavisLD.PolarizationforcesandconductivityeffectsinelectrorheologicalfluidsJ.ApplPhysLett,1992,72413341340.5FeliciN,FoulcJN,AuenPAconductionmodelofelectrorheologicaleffectC//Procofthe4thIntConfonERFluidsMechanisms,Propertes,Structure,TechnologyandApplications.WorldScientific,Singapore,1994139.6ShenR,WangXZ,LuY,eta1.ThemethodsformeasuringshearstressofpolarmoleculedominatedERfluidsJ.IntJModPhysB,2007,2128/2948l34818.7HalseyTC,MarringJE.ElectrorheologiealfluidsJ.ScientificAmericam,1993.1042.高损伤容限航空AI合金世界专利WO2007ll1634中公布了美国科研人员研制的一种新型2000系列航空Al合金。合金的主要化学成分质量分数为3.0%4.0%Cu,0.4%1.1%Mg,AgO.8%,Zn≤1.0%,ZrO.25%,Mn≤0.9%,Fe0.5%,Si≤0.5%,其余是Al。其中,Cu和Mg含量比为3.6~5l。该合金具有高强度和高的损伤容限,综合性能良好,适用于变形加工或铸造方式制造的航空器用零部件。范爱国供稿201010

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