碳复合纳米二氧化钛新型巨电流变液的机理研究

The traditional giant electrorheological fluid, which is mainly caused by the polar molecule such as urea adsorbed on the high permittivity micro nano particles, can not be industrialized due to its short service life and poor temperature stability. Thus, it is an important problem to find a new type of giant electrorheological fluid with completely different mechanisms. After more than 5 years of research, we have developed a carbon composite nanoscale TiO2 based electrorheological fluid. It has long service life, good temperature stability and low leakage current. Experimental results show that the carbon composite nanoscale TiO2 based electrorheological fluid has a completely different electrorheological mechanism from the traditional giant electro rheological fluids. The goals of this project are mainly to optimize the preparation process of carbon composite nanoscale TiO2 based electrorheological fluid and to study its microstructure,especially the existence state of carbon and its relationship with nano titanium dioxide in detail by modern microanalysis and testing equipments. At the same time we plan to reveal the micro-mechanism of this new type of giant electrorheological effect by applying thermodynamics, molecular dynamics and energy band theory, to understand the evolution behavior of material morphology and micro nano particle interaction in an external electric field. We hope that this project can guide the systematic study of a new type of giant electrorheological fluid and put it into industrial application as soon as possible.

极性分子型巨电流液体的电流变效应是由高介电常数微-纳颗粒吸附的极性分子，例如：尿素产生，存在使用寿命短、温度稳定性差的缺点，很难产业化应用，所以寻找完全不同电流变机理的巨电流变液体是当前巨电流变液研究的重要课题。本课题组经过5年多的研究，研制出具有使用寿命长、温度温定性好、漏电电流低的碳复合纳米二氧化钛基电流变液体，实验结果表明：碳复合纳米二氧化钛基电流变液体具有与极性分子型巨电流变液体完全不同电流变机理，是一种全新的巨电流变液体。本项目主要是优化碳复合纳米二氧化钛基电流变液体的制备工艺，利用现代微观分析、测试设备详尽研究其微观形态和结构，特别是碳的存在形态以及它与纳米二氧化钛的相互关系，应用热力学、分子动力学、能带理论等揭示其电流变的微观物理机理，提升人们对外电场下物质形态、微-纳颗粒间相互作用的理解，同时指导新型巨电流变液体系统化研究，使巨电流变液体尽快实现产业化应用。

本项目对导体镶嵌型电流变材料的制备工艺、性能测试、微观结构表征、作用机理、应用等方面进行了系统的研究，经过3年的努力，得到了如下成果：首先针对过去电流变材料性能与寿命无法兼得的瓶颈，通过材料设计，提出导体镶嵌型电流变颗粒，利用纳米导体代替极性分子，即纳米导体镶嵌在介电颗粒表面的结构，纳米导体在局域电场下能与相邻颗粒上的极化电荷产生强相互作用，从而产生强电流变效应，且由于导体能稳固的与介电颗粒结合，具有耐高温和耐磨的优点；采用钛酸丁酯水解法，其中添加葡萄糖作为碳源并在高温中碳化，成功制备了碳镶嵌的二氧化钛颗粒，并用拉曼散射与透射电子显微镜证实了颗粒结构；通过流变仪测试与自主搭建的电流变液磨损装置，证实了新型电流变液具有高剪切强度(>100kPa)、长寿命(>1000h)、高温度稳定性(25-175℃)、低漏电流(<1μA)的优点，突破了电流变材料的实用瓶颈；设计并制造了电流变阻尼器，测试了它的力学性能，获得了最大输出力和力可调倍数两个重要的实用性能参数；在新型电流变液的基础上研制出以二氧化硅为磨料的电流变抛光液，搭建了简易的旋转式电流变抛光装置，对硅片表面进行抛光试验，硅片在抛光后，粗糙度从206nm下降至 0.36nm，有效降低表面粗糙度，展示出了良好的应用前景；采用弹性基底（硅橡胶、天然橡胶）代替绝缘油，制得了高性能的电流变弹性体，其最大电流变效率可达10倍，并具有耐高温等优点，非常适合作为自调谐动力吸振器的元件。项目执行期间，发表国际期刊论文2篇，均被SCI收录，国内期刊论文1篇；申请国内专利1项，已授权；国外专利3项，已授权2项；已培养硕士研究生4名，博士研究生1名。研究成果符合申请时的预期。