專利名稱：一種具有電磁耦合作用的Ni/TiO₂基電磁流變液及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種電磁流變液及其制備方法，具體指一種具有即導(dǎo)電又導(dǎo)磁的分 散介質(zhì)為核殼結(jié)構(gòu)，在電磁場(chǎng)作用下具有耦合作用的電磁流變液及其制備方法。
背景技術(shù)：
電流變液一般是由可極化微粒分散于基液中形成的一種懸浮液。當(dāng)對(duì)它施加電場(chǎng) 時(shí)，其粘度、剪切強(qiáng)度瞬間變化幾個(gè)數(shù)量級(jí)，由易流動(dòng)的低粘度流體變?yōu)殡y流動(dòng)或不流動(dòng)的 高粘度粘彈性固體。當(dāng)電場(chǎng)撤去以后，它又可以瞬間恢復(fù)到液態(tài)，這種變化可逆、連續(xù)，表現(xiàn) 出良好的電控力學(xué)行為。由其制成的可調(diào)阻尼器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)須特殊加工，無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部 件、無(wú)金屬之間的撞擊、工作平穩(wěn)可靠，動(dòng)態(tài)范圍大，耐久性好，阻尼力大，可實(shí)現(xiàn)對(duì)阻尼振 動(dòng)的主動(dòng)實(shí)時(shí)控制。磁流體作為新型阻尼減振、降噪材料在機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用，無(wú)疑會(huì)使得 機(jī)械設(shè)備、儀器的精度指標(biāo)得到提高。在交通工具、液壓設(shè)備、機(jī)械制造業(yè)、傳感器技術(shù)等領(lǐng) 域具有廣泛的應(yīng)用前景。但是從電流變材料的綜合性能來(lái)看，仍存在著屈服強(qiáng)度偏低，穩(wěn)定 性差等缺點(diǎn)，尚不能滿足工程應(yīng)用需要。1991年通過(guò)對(duì)不同方式包覆的雙層復(fù)合微粒結(jié)構(gòu)的研究，從理論上分析由高介 電常數(shù)的絕緣外層包覆高導(dǎo)電核心結(jié)構(gòu)，其剪切屈服應(yīng)力的理論值有望達(dá)到lOOkPa。這是 由于高導(dǎo)電核心可以幫助提高微粒介電常數(shù)，增加微粒的表面電荷，提供適宜的電導(dǎo)率，而 高介電常數(shù)的絕緣外層可以提高材料的耐電場(chǎng)擊穿能力，并有效限制表面電荷的運(yùn)動(dòng)，提 高鏈結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。然而，盡管近年來(lái)各種核殼微粒電流變液材料不斷涌現(xiàn)，但其電流變強(qiáng) 度仍然遠(yuǎn)低于其理論值，包覆層化學(xué)結(jié)構(gòu)、包覆層均勻性和界面結(jié)合力是制約其電流變性 能的重要因素。同時(shí)由于金屬核殼分散相微粒比重較大，易于沉淀，使電流變液抗沉降性較 差。2003年，香港科技大學(xué)溫維佳博士開發(fā)出用極性小分子尿素修飾BaTiO(C2O4)2化 合物的納米介電微粒，具有強(qiáng)的電流變活性，這一結(jié)果發(fā)表在2003年〈Nature Materials) 上發(fā)表后，立即受到該領(lǐng)域?qū)＜业年P(guān)注。正如美國(guó)福特汽車公司高級(jí)工程研究部的物理學(xué) 家John Ginder說(shuō)“這一技術(shù)為聰明的電流變液體的應(yīng)用找到了一條途徑”。導(dǎo)電微粒同時(shí)具有導(dǎo)電、導(dǎo)磁作用的粒子的存在、使得電流變液(ER)既具有電流 變特性、又具有磁流變(MR)的特性，諸如鎳、鐵等粒子。電流變液與磁流變液作為一種新型 智能材料，在外加電場(chǎng)、磁場(chǎng)、耦合電磁場(chǎng)時(shí)，其粘度、剪切強(qiáng)度也瞬間變化，由易流動(dòng)的低 粘度流體變?yōu)殡y流動(dòng)或不流動(dòng)的高粘度固體。當(dāng)電、磁、電磁場(chǎng)撤去以后，它又可以在毫秒 時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到液態(tài)，同樣具有可逆、連續(xù)、可控特性，表現(xiàn)出良好的電、磁、電磁控制行為，它 不僅克服了 ER需要極高的電壓，MR響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，穩(wěn)定性差，均不利于應(yīng)用等缺點(diǎn)，而且電 磁耦合使得其兼具電流變、磁流變的特性之外還具有它們兩者所沒有的特性，既電磁耦合 作用，大幅提高電流變液的性能，十分適合于用作可控阻尼減振器件，極大簡(jiǎn)化阻尼結(jié)構(gòu)， 大幅減輕重量，提高效率。使其在交通工具、液壓設(shè)備、機(jī)械制造業(yè)、傳感器技術(shù)等領(lǐng)域具有更為廣泛的應(yīng)用前景。電磁流變液是由微米級(jí)的復(fù)合粒子作為懸浮粒子與合適的液體載體所組成。復(fù)合 粒子具有兩種功能，在電場(chǎng)作用下具有電流變性，在磁場(chǎng)作用下具有磁流變性，研究證實(shí)電 磁流變液即既具有電流變效應(yīng)又具有磁流變效應(yīng)，其剪切應(yīng)力隨外加電場(chǎng)或磁場(chǎng)強(qiáng)度的增 加而增加。當(dāng)同時(shí)施加電場(chǎng)和磁場(chǎng)時(shí)，其剪切應(yīng)力不但比單獨(dú)施加電場(chǎng)或磁場(chǎng)時(shí)的剪切應(yīng) 力大，而且明顯比單獨(dú)施加電場(chǎng)或磁場(chǎng)的剪切應(yīng)力之和大，也就是說(shuō)，此類EMR液可獲得比 單純的ER，MR液大得多的剪切應(yīng)力，即具有明顯的協(xié)同耦合效應(yīng)。因此，電磁流變液既具有 電流變性又具有磁流變性，可同時(shí)兼顧兩者的優(yōu)點(diǎn)，即既具有ER液響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)。又具有 MR屈服應(yīng)力大.可避免高壓電墻等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)EMR液的研究無(wú)疑是智能材料的最有價(jià)值的研 究方向之一，是新一代智能阻尼材料。以既具有導(dǎo)磁性又具有導(dǎo)電性的M微粒為核心，在其表面通過(guò)溶膠_凝膠法包覆 二氧化鈦(TiO2)和尿素(Urea)和十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)制備出的Ni/Ti02、Ni/Ti02/ Urea, Ni/Ti02/SDBS等核殼微粒作為分散相，將其加入到氟化硅油和甲基硅油的混合液組 成的基液中制備出電流變液。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的首要技術(shù)問(wèn)題是提供一種具有電磁耦合作用的Ni/Ti02基電磁 流變液。本發(fā)明所要解決的第二個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供一種具有電磁耦合作用的Ni/Ti02基電 磁流變液的制備方法。本發(fā)明解決上述首要技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為一種具有電磁耦合作用的 m/Ti02基電磁流變液，包括分散相與基液，所述分散相均勻分散在基液中，其特征在于所 述電磁流變液的分散相是以納米金屬導(dǎo)電微粒M為核心、二氧化鈦為包覆殼層的核殼結(jié) 構(gòu)的外加極性分子修飾的復(fù)合微粒，所述分散相的體積濃度為10 50%，所述基液是氟化 硅油和二甲基硅油的混合液。所述極性分子為Urea和SDBS，其中Ti/Urea之比為10% 40at%，SDBS含量為 0. 01 2. 5at%。優(yōu)選，所述基液的組分配比可以為氟化硅油10 80v%和二甲基硅油20 90v%。本發(fā)明解決上述第二個(gè)技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為一種具有電磁耦合作用的 NiAiO2基電磁流變液的制備方法，其特征在于包括以下步驟1)按氟化硅油10 80v%和二甲基硅油20 9(^%的比例配制基液；2)使用物理方法制備納米鎳微粒，使微粒直徑在30 200nm ；3)將納米鎳微粒進(jìn)行羥基化處理，得到微粒A ；4)在羥基化的微粒上包覆TiO2，得到微粒B，將微粒B熱處理得到Ni/Ti02復(fù)合微 粒；5)將復(fù)合微粒加入到基液中，得到復(fù)合微粒體積濃度為10 50%的電磁流變液。作為改進(jìn)，所述步驟4)制得的微粒B在外層包覆尿素、SDBS極性分子，得到微粒 C，將微粒C熱處理得到Ni/Ti02/Urea、Ni/Ti02/SDBS復(fù)合微粒。
作為改進(jìn)，所述步驟3)的羥基化處理具體過(guò)程為將納米鎳與NaOH溶液按重量比 為1 30 60的比例加入到濃度為5 llmol/L的NaOH溶液中攪拌均勻；攪拌至反應(yīng)完 全得到沉淀，將沉淀分離得到微粒A。所述步驟4)具體步驟為向微粒A中加入體積比為1 0. 5 3的鈦酸鋇的乙醇 溶液中，其中微粒A與鈦酸鋇的摩爾比為2 10 1，強(qiáng)力攪拌進(jìn)行溶膠-凝膠反應(yīng)，產(chǎn)生 沉淀，將沉淀分離得到微粒B ；將微粒B烘干后即生成Ni/Ti02微粒。所述微粒C的制備過(guò)程為向微粒B中加入含有去離子水和尿素、SDBS的乙醇混 合溶液，其中，去離子水尿素和SDBS 無(wú)水乙醇的體積比為1 2 10 6 15，尿素 與微粒B的重量比為1 2 10，均勻攪拌至反應(yīng)完全沉淀不再產(chǎn)生，分離出微粒C;將微 粒C在100 135°C下進(jìn)行熱處理，得到Ni/Ti02/Urea、Ni/Ti02/SDBS復(fù)合粒子，Ti/Urea之 比為 10% 40at%，SDBS 含量為 0. 01 2. 5at%。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于采用高導(dǎo)電、導(dǎo)磁的納米鎳微粒等為核心的 TiO2包覆的經(jīng)過(guò)極性分子Urea等修飾的多層復(fù)合核殼微粒、復(fù)合基液和表面活性劑來(lái)復(fù)配 電流變液，一方面鎳等為核心的核殼微粒提高導(dǎo)電、導(dǎo)磁性、提高其剪切強(qiáng)度，復(fù)合核殼可 減少漏電電流，復(fù)合基液和表面活性劑可減小微粒與基液的密度差，大副提高電流變液的 穩(wěn)定性。本發(fā)明制備方法簡(jiǎn)單，易操作，采用溶膠-凝膠方法和可控分子合成技術(shù)，制得的 電磁流變液在電、磁、電磁耦合場(chǎng)作用下的微粒呈鏈、柱的結(jié)構(gòu)形貌，本發(fā)明的電磁流變液 既具有電流變液的性能，同時(shí)又具有磁流變的性能，而且，電磁耦合疊加的復(fù)合作用可進(jìn)一 步提高電流變液的性能，在交通工具、液壓設(shè)備、機(jī)械制造業(yè)、傳感器技術(shù)等領(lǐng)域具有更為 廣泛的應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中電流變液微粒圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中電流變液XRD圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中電流變液的紅外光譜圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例1中電流變液在電場(chǎng)下性能圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例1中電流變液在磁場(chǎng)下性能圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例1電流變液在電磁場(chǎng)下性能圖；圖7為本發(fā)明實(shí)施例2電流變液在電場(chǎng)下性能圖；圖8為本發(fā)明實(shí)施例2電流變液在磁場(chǎng)下性能圖；圖9為本發(fā)明實(shí)施例2電流變液在磁場(chǎng)下性能圖；圖10為本發(fā)明實(shí)施例2中電流變液在磁場(chǎng)下結(jié)構(gòu)圖；圖11為本發(fā)明實(shí)施例2電流變液在電磁場(chǎng)下結(jié)構(gòu)圖；圖12為本發(fā)明實(shí)施例2電流變液在電磁場(chǎng)下性能圖；圖13為本發(fā)明實(shí)施例2電流變液在電磁場(chǎng)下性能圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。實(shí)施例1
a)配制基液將氟化硅油(70v% )和二甲基硅油(30v% )混合均勻得到復(fù)配基液； b)將噴射沉積法制備的納米鎳粉(TEM圖如圖1所示，XRD圖如圖2所示，紅外光 圖譜FT-IR如圖3所示)放入濃度為6mol/L的NaOH溶液中，均勻攪拌，使Ni微粒表面羥 基化；經(jīng)過(guò)分散處理，然后用去離子水洗滌至中性將沉淀分離得到微粒A ；c)向微粒A中加入體積比為1 1的鈦酸鋇的乙醇溶液中，其中微粒A與鈦酸鋇 的摩爾比為4 1，強(qiáng)力攪拌進(jìn)行溶膠-凝膠反應(yīng)，產(chǎn)生沉淀，將沉淀分離得到微粒B;將微 粒B烘干后即生成第一層包覆TiO2的Ni/Ti02核殼微粒；d)將微粒置于真空干燥箱中在120士5°C下進(jìn)行熱處理，得到Ni/Ti02微粒；e)將復(fù)合粒子、分散劑和基液混合均勻得到復(fù)合粒子的體積濃度為一定的電流變 液；其剪切強(qiáng)度與所加外場(chǎng)的規(guī)律的如圖4 6所示，最大強(qiáng)度在加載電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電 磁場(chǎng)時(shí)分別為4kPa、46kPa和45kPa。實(shí)施例2a)基液的配制將氟化硅油(30v% )和二甲基硅油(70v% )混合均勻得到復(fù)配基液；b)將納米鎳與NaOH溶液按重量比為1 45的比例加入到濃度為8mol/L的NaOH 溶液中攪拌均勻；攪拌至反應(yīng)完全得到沉淀，將沉淀分離得到微粒A ；c)向微粒A中加入體積比為1 1.25的乙醇-鈦酸四丁酯溶液，其中微粒A與鈦 酸四丁酯的摩爾比為6 1，攪拌均勻，分離沉淀得到微粒B;c)向微粒B中加入含有去離子水和尿素、SDBS的乙醇混合溶液，其中，去離子水 尿素和SDBS 無(wú)水乙醇的體積比為1 4 10，尿素和SDBS與微粒B的重量比為1 4， 均勻攪拌至反應(yīng)完全沉淀不再產(chǎn)生，分離出微粒C;將微粒在120 士 5°C下進(jìn)行熱處理，得 到 Ni/Ti02/Urea、Ni/Ti02/SDBS 復(fù)合粒子；使 Ti/Urea 之比為 10% 40at%，SDBS 含量為 0. 01 2. 5at% ；d)將復(fù)合粒子、分散劑和基液混合攪拌均勻，得到復(fù)合粒子體積濃度為30站％的 電流變液；其中Ni/Ti02/Urea微粒的剪切強(qiáng)度與所加外場(chǎng)的規(guī)律的如圖7 9所示，最大 強(qiáng)度在加載電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)時(shí)分別為41kPa、38kPa和55kPa，其電流變液在電場(chǎng)、磁場(chǎng) 和電磁場(chǎng)下微粒的結(jié)構(gòu)圖如圖10、11所示。實(shí)施例3a)基液的配制將氟化硅油(40v% )和二甲基硅油(60v% )混合均勻得到復(fù)配基液；b)將電化學(xué)法制備的納米鎳與NaOH溶液按重量比為1 45的比例加入到濃度為 8mol/L的NaOH溶液中攪拌均勻；攪拌至反應(yīng)完全得到沉淀，將沉淀分離得到微粒A ；c)向微粒A中加入體積比為1 1.25的乙醇-鈦酸四丁酯溶液，其中微粒A與鈦 酸四丁酯的摩爾比為6 1，攪拌均勻，分離沉淀得到微粒B;c)向微粒B中加入含有去離子水和尿素的乙醇混合溶液，其中，去離子 水SDBS 無(wú)水乙醇的體積比為1 2 15，SDBS與微粒B的重量比為1 8，均勻攪拌 至反應(yīng)完全沉淀不再產(chǎn)生，分離出微粒C ；
d)重復(fù)C)的步驟得到微粒D，將微粒在120°C下進(jìn)行熱處理，得到多層修飾的Ni/ Ti02/SDBS復(fù)合粒子；d)將復(fù)合粒子、分散劑和基液混合攪拌均勻，得到復(fù)合粒子體積濃度為一定 30at%的電流變液；Ni/Ti02/SDBS微粒在加載電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)時(shí)分別為8kPa、22kPa和 86kPa。
權(quán)利要求
一種具有電磁耦合作用的Ni/TiO2基電磁流變液，包括分散相與基液，所述分散相均勻分散在基液中，其特征在于所述分散相是以納米金屬導(dǎo)電微粒Ni為核心、二氧化鈦為包覆殼層的核殼結(jié)構(gòu)的外加極性分子修飾的復(fù)合微粒，所述分散相的體積濃度為10～50％，所述基液是氟化硅油和二甲基硅油的混合液。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁流變液，其特征在于所述極性分子為Urea和SDBS，其中 Ti/Urea 之比為 10% 40 (at) %, SDBS 含量為 0. 01 2. 5 (at) %
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁流變液，其特征在于所述基液的組分配比為氟化硅油 10 80 (ν) %和二甲基硅油20 90 (ν) %。
4.一種具有電磁耦合作用的Ni/Ti02基電磁流變液的制備方法，其特征在于包括以下 步驟1)按氟化硅油10 80(ν) %和二甲基硅油20 90 (ν) %的比例配制基液；2)使用物理方法制備納米鎳微粒，使微粒直徑在30 200nm；3)將納米鎳微粒進(jìn)行羥基化處理，得到微粒A；4)在羥基化的微粒上包覆TiO2，得到微粒B，將微粒B熱處理得到Ni/Ti02復(fù)合微粒；5)將復(fù)合微粒加入到基液中，得到復(fù)合微粒體積濃度為10 50%的電磁流變液。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于所述步驟4)制得的微粒B在外層包覆 尿素、SDBS極性分子，得到微粒C，將微粒C熱處理得到Ni/Ti02/Urea、Ni/Ti02/SDBS復(fù)合 微粒。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于所述步驟3)的羥基化處理具體過(guò)程 為將納米鎳與NaOH溶液按重量比為1 30 60的比例加入到濃度為5 llmol/L的 NaOH溶液中攪拌均勻；攪拌至反應(yīng)完全得到沉淀，將沉淀分離得到微粒A。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于所述步驟4)具體步驟為向微粒A中 加入體積比為1 0. 5 3的鈦酸鋇的乙醇溶液中，其中微粒A與鈦酸鋇的摩爾比為2 10 1，強(qiáng)力攪拌進(jìn)行溶膠-凝膠反應(yīng)，產(chǎn)生沉淀，將沉淀分離得到微粒B;將微粒B烘干后 即生成Ni/Ti02微粒。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于所述微粒C的制備過(guò)程為向微粒B 中加入含有去離子水和尿素、SDBS的乙醇混合溶液，其中，去離子水尿素和SDBS 無(wú)水 乙醇的體積比為1 2 10 6 15，尿素和SDBS與微粒B的重量比為1 2 10，均 勻攪拌至反應(yīng)完全沉淀不再產(chǎn)生，分離出微粒C ；將微粒C在110 130°C下進(jìn)行熱處理，得 到 Ni/Ti02/Urea、Ni/Ti02/SDBS 復(fù)合粒子，使 Ti/Urea 之比為 10% 40 (at) %, SDBS 含量 為 0. 01 2. 5 (at) % ο
全文摘要
本發(fā)明涉及具有電磁耦合作用的Ni/TiO2基電磁流變液及其制備方法，所述電磁流變液的分散相是以納米金屬導(dǎo)電微粒Ni為核心、二氧化鈦為包覆殼層的核殼結(jié)構(gòu)的外加極性分子修飾的復(fù)合微粒，制備方法為使用物理方法制備納米鎳微粒，使微粒直徑在30～200nm；將納米鎳微粒進(jìn)行羥基化處理，得到微粒A；在微粒A上包覆TiO2，得到微粒B，將微粒B熱處理得到Ni/TiO2復(fù)合微?；蛘邔⑽⒘在外層包覆尿素、SDBS極性分子，得到微粒C，將微粒C熱處理得到Ni/TiO2/Urea、Ni/TiO2/SDBS復(fù)合微粒，將復(fù)合微粒分散到基液中，得到復(fù)合微粒體積濃度為10～50％的電磁流變液。本發(fā)明制備方法簡(jiǎn)單，易操作，采用溶膠-凝膠方法和可控分子合成技術(shù)，制得的電磁流變液既具有電流變液的性能，同時(shí)又具有磁流變的性能。
文檔編號(hào)C10M171/00GK101967421SQ201010519320
公開日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2010年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月20日
發(fā)明者吳敏, 周宇松, 紀(jì)松, 譚鎖奎, 逯慶國(guó), 郭紅燕, 錢坤明 申請(qǐng)人:中國(guó)兵器工業(yè)第五二研究所