稀土改性二氧化钛电流变液的性能

1、稀土改性二氧化钛电流变液的性能第l4卷第6期2000年12月材料研究CHINESEJOURNALOFMATERIALSRESEARCHV14No6December2000稀土改性二氧化钛电流变液的性能燮乏向札琴赵乾T3.(西北工业大学)6口一.要用溶腔凝胶法制备丁稀土元素改性的二氧化钛微粉,利用Dsc,TGxRD等表征微粉,测试丁微粉的彳r电性能用微粉和甲基硅油配制丁无水电流变液流变学驯量结果表明掺挚改性后的二氧化钛电漉变液具有比在相同制备条件下所得纯=氧化钛配制电流变液强得多的电流变效应,典型的颗粒/硅油体积比为35%的电流变渣在25直流3kV/mm剪切速率为l441s条件F的剪切强度可选l

2、_7kPa,电流密度小于10pA/cm零场枯度为35Pa唱稀土的掺杂量对电流变教直晌非常明显.存在一十稀土元素的最佳含量范围讨论丁电流变液的剪切应力与电场强度,剪切速率的关系关键词兰兰些稀三墨些sol-ge_lJ(分类号五文芏10053093(2000)06060405PR0PERTIESoFTITANIAELECTR0RHEoL0GICALFLUIDSMoDIFIEDBYRAREEARTHZHAOXiaopengYINJianboXIANGLiqinZHAOQian(Instituteo/Elect,grheologicalTechnology,NorthwesternPolytechnic

3、afUniversity,Xi*an710072)ABSTRACTThewater-freeElectrorheologicalfluids(ERr).madeofmodifiedtitania(TiO2)dopedwithrareearth(RE).weresynthesizedbymeansofsoleltechniqueThebehaviorofthesuspensionsofmodifiedtitaniaparticlesinsiliconewitha35%byvolumewereinvestigatedunderDCelectricfieldsMuchstrongerEReffect

4、inmodifiedtitaniaERrthanthatofpuretitania/siliconeoiI.whichwassynthesizedbvthesamemean.isobserved.Intheelectricfieldsof3kV/mm,whenshearrateof1441s1wereappliedtotheERrat25.theshearstresscanbe17kPa.whilethecurrentdensitywasonly10#A/cm2andthezeroviscosityoftheERrwas35Pa-sRE/Timoleratiohasanimportantinf

5、luenceontheEReffects.Thetherma1characteristicofmodifiedtitaniawasinvestigatedbyDSCandTG.thecrystalstructureofpureanddopedtitaniaparticleswereinvestigatedbyXRDRelationshipsbebueenshearstressandelectricfields,betweenshearstressandshearratewerediscussedKEYWORDSelectrorheologicalfluids.rareearth,titania

6、,so1一gel国家自然科学基金重点资助项目59832090和航空基金资助项目98G531071999年12月3日收到初稿2000年0月12日收到修改稿本文联系?赵晓鹏,西安市710072,西北工业大学141信箱Towhomcoespondenceshoutdbeaddressed簋6期赵晓鹏等稀上改陡二氧化钛电流变液的性能605电流变液在离台器,减振器,阻尼器,无级调速装置以及光学与印刷设备上有重要的应用】.含水电流变液性能受温度影响太大:聚台物无水电流变液的力学性能较低,制备工艺复杂,有些甚至有毒近年来无机电流变液材料的研制重新受到重视4-6依据电流变液的介电失配理论,材料的介电性质和电导

7、特性对电流变效应有重要影响【7】本文用solgel方法制备掺杂稀土元素的二氧化钛颗粒,配制成电流变液,并研究其基本性能1实验方法采用solgel反应工艺制备纯二氧化钛和掺杂稀土髓I生二氧化钛电流变颗粒材料,原料为化学纯钛酸正丁酯,RECI37H2O或RE(NO3)36H2O(RE为稀土元素,分析纯),以分析纯乙醇为溶剂将钛酸正丁酯,少量的二次去离子水,RECI3-7H2O或RE(NO3)3-6H2O与乙醇混台,得到溶胶凝胶反应前驱体溶液,加入一定量的盐酸或硝酸使pH值为35在空气中静1248h后得到透明凝胶将凝胶在80烘箱中干燥8h得到干凝胶粉末将粉末研到适当细度后放人电阻炉中,分别在200,

8、400和550下热处理2h,即得到不同性能的纯二氧化钛和掺杂稀土元素改I生二氧化钛颗粒用型号为STA一449C的热分析仪测试干凝胶粉末的DSC和TG曲线用D/MAXCX射线衍射仪测定烧结处理后颗粒的相结构:用WAYNEKERR一4225LCR仪测试颗粒的介电性能将制得的纯二氧化钛和掺杂稀土元素的二氧化钛粉体在150干燥4h,与在150处理2h的甲基硅油(化学纯,ef=26028op=0.9一l0g/cm,500mPas(25C)】按颗粒/硅油体积比为35%混合均匀,得到纯二氧化钛电流变液和掺杂稀土元素改性二氧化钛电流变液.电流变液的剪切强度及其与电场强度,剪切速率的关系由改装的NXS11A旋转

9、牯度计测量,转子外径与固定外筒内壁的间距为(20t001)mm,在测量中接入微安表测量电流变液的漏电流密度.直流高压设备型号为GYW一010型,调节范围010kV2结果与讨论2.1热分析及x射线衍射分析在图l中的低温区(<200)干凝胶中的残留水和小分子溶剂挥发吸热,在中温区【250450c)有机物燃烧或前驱体分解放热,热失重百分比较大,在525二氧化钛晶化放热,其热失重不十分显着.随着热处理温度的提高,二氧化钛干凝胶粉末在有机物挥发,分解完成后实现了1E晶向晶态转变,图2表明,在相同焙烧条件下制得的纯二氧化钛及掺杂稀土改性二氧化钛均与二氧化钛(锐钛矿)标准图谱峰值基本一致Is,晶型发育

10、较完善,掺杂稀土的二氧化钛衍射图中未发现第二相存在.但衍射峰强与宽化程度不同,稀土掺杂使二氧化钛的晶格常数增大.粒径稍有细化2.2改性二氧化钛电流变液的性能与电场的关系从图3可以看出.掺杂改性后的二氧化钛电流变液的力学性能明显优于改性前.如RE与Ti摩尔比为0085,在温度为25.电场强度为3kV/rr(OC),剪切速率为1_441s条件下的剪切应力达L7kPa,漏电流密度小于10#A/cm,比零场时的剪切强度11.4Pa提高了近160倍比相应纯二氧化钛电流变液在相同条件下的剪切应力334.SPa提高了5倍多主要原因是稀土的掺杂使二氧化钛的介电常数提高35倍,电导率由小于10S/m提高到10-

11、7一l0一S/m.其与硅油的电导失配高达10一l0,对提高电流变效应十分有利.材料研究14卷Temperoture,C圉1铈掺袅二氧化钛f凝胶柑末的热分析曲线Fig.1DSTGcrveoftitaniaxerogelpow-dersdopedwithCeElectricstrength/kmm圉3纯二氧化钛和改性二氧化钛电流变液的剪切应力和漏电流密度与电场强度的关系(144is.25c)Fig.3ShearstressandcurrentdensityasafunctionofDeelectricfieldforERF(35%)madeofpureandmodifiedti-taniadope

12、dbyrareearthwithdifierentRE/Timoleratioatshearrateofl44isandthetemperatureof25C0TJ0,妥i霄i粤iLi2旦2目/(.)圉2纯二氯化钛和铈掺杂(Ce/Ti=008moleratio)_二氧化钛经550c煅烧后的XRD谱图Fig.2XrapowderdiffractionpatternsofpureandCe-dopedtitania(Ce/Ti=008moleratio1after550r20001500a凸_10005000圉4电流变液剪切强与稀上含量的关系Fig.4CurveofshearstressofERF

13、usmoleratio尺ofrareearthto2iatdliferentelectricfields图4表明,RE与Ti的摩尔比太大或/J,都使材料的抗剪切能力不同程度的下降Ti的摩尔mole比为007一O.11之间得到最好的电流变效应.6期赵晓鹏等:稀土改性二氧化钛电流变波的性能6072.3改性二氧化钛电流变液剪切应力与剪切速率的关系图5显示加电场后电流变液表现出明显的Bingham流体特性,流体的剪切应力随剪切速率的增加而增加,在所测速率范围内增加趋势与零场剪切应力几乎平行.在3kV/mm时的剪切屈ShearrGtes,图5在不同电场下改性二氧化钛电流变液剪切强度与剪切速率的关系Fig

14、.5Shearstressasafunctionofshearratef0rERF(35%1madeofmodifiedtita-niadopedbyrareearthfmoleratioofREtoTi0.0851atthedifferentelectric矗eldandtemperatureof25服应力可达17kPa左右.图6是电流变液未加电场和施加电场后的表观粘度随剪切速率的变化关系,可以看出,加电场后流体的粘度可提高2个数量级以上,并随剪切速率增加递减.2.4改性二氧化钛电流变液的沉降性悬浮颗粒沉降性好坏是电流变液基本指标之一|ll_电流变液的性能随着颗粒相的沉降加剧而表现出急剧下降

15、.图7给出了一种掺杂改性后的二氧化钛电流变液的沉降率与存放时间的关系,结果表明所制得电流变液的抗沉降性较好.稀土含量越大-体系的抗沉降性变优.030201图6不同电场下改性二氧化钛电流变液表现粘度与剪切速率的关系Fig.6AppearviscosityofERF(35%)il1.deofmodifiedtitaniadopedbyrareearthfIfloleratioofREtoTi00851asafunctioofshearratesatthedifierenteectricfieldandtemperatureof25C,o皂里E图7一种改性二氧化钛电流变液的沉降率与存放时间的关系Fi

16、g.7SedimentationratioofERF(35%1madeoftitaniamodifieddopedbyrareearthfRE/Ti=0085moleratio1at25ustimem.口d),0譬一>co厶6138材料研究14卷3结论掺杂稀土改性后的二氧化钛电流变液的活陛明显提高.适当的稀土掺杂改善了材料的载流子在电场下的迁移.导致颗粒介电和电导性质的优化和极化能力的提高参考文献1赳晓鸱.罗春荣,周车蒲,材料导报,1【3),12(1993)2K.KoyarnaM.Nakatm,inProcof6thtoniERFandMRSandtheirapplicatio,edby

17、MNakanoandK.Koyama(w0r】dScientific,Singapore1998)P13HBlock,P,Rattra)lnProgressinER,eelbyK.U.HarelkaadFEFilisko,(PtenumPress,NewYork,1995)P.194F.EFilisko,L.HRadziowski,JRheo34,589(190)5YutlngZhang,VongMaKunquan.Lu,AppiedPhysicsLetters,1326(1998)6H.Hse,ATrendter.inAbstractof7thintCohi.DHElectrorheologicdz出andma