凝胶态电流变弹性体的制备及性能研究

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随着节能减排政策的提出,对减少能源消耗的呼声越来越高,对于轮船运输等高能源消耗工业是急需改进的,一个重要的方法就是减小摩擦阻力。根据目前关于湍流非光滑减阻技术的研究并受海豚皮肤可根据外部流场不同而改变自身表面形貌的启发,以凝胶态电流变弹性体模拟海豚“真皮”,在相应电信号激励下形成对应的形变,与压电薄膜配合,制备具有自适应特征的智能壁面,使其在广域流场中达到稳定的减阻效果,具有较大的应用价值。为制得模量和电致形变都达到要求的弹性体材料,利用电流变效应和并借鉴介电弹性体的驱动原理,选用合适的电流变液分散相材料和弹性体基体材料,制备出多种电流变弹性体试样,方法如下:用溶胶-凝胶法在经表面羟基活化的纳米Fe304颗粒表面包覆无定型态Ti02,并用极性分子丙烯酰胺掺杂改性包覆层,得到Fe3O4/TiO2核壳复合微粒,将其分散到油性基液中,制备出复合电流变液。对复合微粒的材质组成及微观结构形貌进行检测和观察,对不同制备工艺条件下制得的复合电流变液的电流变性能进行了测试。结果表明:Ti02能够均匀紧密的包覆在纳米Fe304颗粒的表面,并且包覆4次Ti02,搅拌时间为4h,丙烯酰胺的掺杂量占钛酸丁酯的25%时,制得的复合微粒电流变液具有优异的电流变性能。选用室温硫化硅橡胶PDMS作为弹性体的基体材料,用溶液法将其与上述复合微粒电流变液混合均匀并在一定条件下固化成型后制备出电流变弹性体试样。对用不同方法制得的弹性体试样的力学性能及机电性能进行测试,结果发现:电流变微粒的加入使弹性体试样的介电性能及模量较之纯硅橡胶基体都有所提升,并且在有电场下(1kV/mm)固化成型的试样各性能提升的幅度更大。有无电场下制得的两类试样对分散微粒质量分数的敏感范围不同,有电场下制得的试样在分散相微粒质量分数为15.5%时,各性能出现跳跃现象,并且在此处出现电致驱动形变的最大值。而无电场下制得的试样则在分散相微粒质量分数为19.7%时,各性能有突增现象,在此处其电致形变也出现最大值,但是要小于前者电致形变的最大值。硅橡胶的交联反应对弹性体试样的各性能也有影响,随着交联压力的不断增加,弹性体试样的介电常数、介电损耗及模量都不断提高并趋于稳定。对于分散相微粒质量分数为15.5%,在有电场下固化成型的弹性体试样,当交联压力为12.5MPa时,能够达到电致形变的最大值9.93%,而此时的压缩模量为1.61MPa。因此,用Fe3O4/TiO2复合微粒电流变液与PDMS均匀混合,当其中复合微粒占总体的质量分数为15.5%,交联压力为12.5MPa,并且在强度为1kV/mm的外加电场下固化成型时,所制得的弹性体试样能够基本满足压缩模量和电致形变的要求。
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