TiO2基各向异性胶体材料的表/界面设计、调控及电流变行为

以巨电流变液材料的性能设计和阐明其基本作用机制为目标导向，通过优化胶体粒子的反应条件和表面改性技术，研究TiO2基表面化学和介电性质各向异性胶体材料的关键制备技术，实现对各向异性纳米粒子和基础液之间的表/界面结构与性能的设计和调控；探索各向异性胶体在电场作用下的分子极化、界面极化、相互作用及其对流变行为的影响；建立基于表/界面及本体结构等因素的介电颗粒间相互作用的模型和描述电致流变行为的本构模型；讨论分子极化、界面极化等对电流变行为的影响与规律，分析极性分子型巨电流变液的作用机制。该项目的成功完成将有可能为进一步开发高性能的电流变液材料和阐明巨电流变效应的作用机理奠定坚实的理论和实验基础。

表界面结构控制和电致流变行为研究对巨电流变液的进一步发展具有十分重要的作用。本项目以TiO2、CaTiO3胶体颗粒的优化制备及改性为研究主线，发展并完善了非球形和表面化学各向异性(Janus)介电颗粒的宏量制备与控制方法，制备了单分散Ca-Ti-O、TiO2、SiO2颗粒并对其表面进行了极性分子改性和功能化；通过对其电流变性能研究发现了两种具有实用价值的电流变材料：超高效率椭球形Ca-Ti-O颗粒电流变材料(效率超过13000)和新型的低场高强度TiO2基电流变材料(外场2kV/mm时屈服应力即可达到144kPa)，这为解决巨电流变材料使用中的能耗和安全性问题提供了思路；同时，经过材料制备与性能优化，新开发的Ca-Ti-O椭球形电流变液动态性能稳定，已经达到主要的工程应用需求并提供试用。. 在电流变机理研究上，通过核壳型TOC@TiO2和TOC@SiO2流体及单分散TiO2颗粒表面不同极性分子改性阐明了介电颗粒、表面极性分子与电流变性能的关系；通过Janus颗粒的可控设计，制备了不同表面化学结构的介电颗粒，对其性能研究表明极性分子与介电颗粒表面极化电荷之间的作用力是产生巨电流变的主要因素，这对澄清巨电流变中极性分子、介电核之间的作用机制具有重要的作用。研究还发现，Ca-Ti-O材料的表面极性分子极化是导致巨电流变现象的主要原因；但TiO2同时还存在界面极化作用，随着吸附水的增加，TiO2基电流变液逐渐从介电型向极性分子型转变，并由于在高电场时离子极化导致极化饱和，这是其低场高响应特性的来源。. 在本项目任务的基础上，我们根据智能流体的最新研究进展，以巨电流变材料为基础，设计并制备了两种新型的光电材料：通过椭球形电流变材料调控偏振光相位，有望用来监测磁场强度，用于人工心脏磁场传感器和智能电网电流波动检测器；通过外场调控智能胶体颗粒自组装结构的光反射特性，实现了通过单一材料解决被动显示的色域、视角和光波调控问题，为开发动态响应的全彩被动式显示器和光学传感器提供了一条很好的途径。到2012年底，已顺利完成项目任务书预期研究任务，并发表SCI收录科技论文12篇, 申请国家发明专利7项，其中授权4项。