草酸氧钛钙基巨电流变液材料特性及合成探索

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本论文旨在了解巨电流变材料可靠性依赖条件及其深层的物理机制。研究工作以草酸氧钛钙为电流变液材料,针对影响材料性能的各种因素逐个分析,最终确定影响材料可靠性的三大主要因素:分散相的体积分数,材料内部水含量百分比及材料颗粒表面浸润性。针对上述影响因素,本文主要做了以下工作:   1.详细研究了巨电流变液中分散相体积分数对于材料力学性能的影响。研究发现,相同电场强度时,电流变液的静态屈服强度与体积分数呈指数相关。本工作提出电流变液的膨胀模型来解释这种依赖关系:巨电流变液的高体积分数令电流变液颗粒链之间的相互排斥作用不可忽视;这种相互排斥给体系带来了巨大的内部势能,导致体系趋于膨胀;体系的膨胀趋势受到来自极板和颗粒连的束缚,等效于受到外部压力,最终导致体系的静态屈服强度变大。本工作测试了电流变液法向力随体积分数的变化趋势,证实了电流变液膨胀效应的存在。   2.明确了电流变液中水含量百分比对电流变液漏电流密度、屈服强度和剪切强度等性能的影响。实验表明,草酸氧钛钙电流变液中水含量与漏电流密度、屈服强度呈正相关。这解释了样品制备及测试时环境湿度等条件对电流变液力学性能的敏感影响。针对这种影响,本工作提出了电流变液的局域电场增强模型。模型认为:分散相颗粒中水的含量直接影响到颗粒电导大小,当颗粒中水含量增加,其电导增加;分散相电导的增加将带来颗粒间局域电场的增强;增强的局域电场会在分散介质中产生更大的漏电流,同时大大增强体系的屈服强度。   3.分析了草酸氧钛钙材料与硅油浸润性的影响因素。实验表明:草酸氧钛钙的主要成分草酸氧钛与硅油的相互作用主导材料整体浸润性。当烘干温度过高,草酸氧钛钙粉体中的草酸氧钛分解,其相对硅油的浸润性迅速下降,表现为电流变液零场粘度的急剧上升。这种变化是由草酸氧钛中草酸根高温下分解,弱化了两相界面相互作用所导致的。X射线电子能谱及扫描电镜等测试结果证明了上述猜想。   4.探索了新型草酸氧钛钙电流变液材料的合成和分离。本课题组合成了一种新型纺锤状草酸氧钛钙电流变材料。这种材料相对于传统草酸氧钛钙材料具有低零场粘度,高电流变效率等优势。本工作细致研究了此种材料颗粒的生长过程及组成成分。实验表明,材料颗粒中钛的含量对其电流变性能具有重要影响。
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