基于无机离子凝胶颗粒的电流变液介电弛豫动力学研究

Electrorheological (ER) fluids are a kind of smart fluids that can be transferred from liquid-like to solid-like state by the stimuli of an electric field. Their fast, controllable and reversible response to electric field make them have considerable potential applications in various fields. However, up to now there is no effective way to study the response mechanisms of ER fluids experimentally and the understanding to ER effect is insufficient, which blocks the real application of ER fluids. In this project, we innovatively propose that: an ionic liquid modified inorganic material with flexible structure designability and higher stability, i.e., ionogel is used as the dispersed phase material. Basing on the broadband dielectric technique and the dielectro-rheological device, rather than the conventional way for the dielectric study of ER fluids, we are going to comparatively study the rheological and the dielectric relaxation dynamics of the ER fluids under different electric fields. According to the quantitative configuration adjustment of the ionogels, it is expected to discover the dielectric relaxation characteristics of the ER fluids under the electric field which is higher than the critical level and the structural evolution mechanism of the ER fluid under both electric and shear fields. The research of this project will contribute to the further understanding of the dynamic mechanisms of ER effect and provide references for the development of ER materials with better performance.

电流变液是一种在电场刺激下可实现“液-固”转变的智能流体，其快速、可控、可逆的电场刺激响应性使其在诸多领域具有可观的应用前景。然而，由于实验上缺乏对其响应机制的有效研究手段，导致人们对电流变效应的认识不够充分，电流变液的实际应用也一直未能实现大的突破。本项目创新性地提出：选用具有灵活结构设计性、较高稳定性的离子液体修饰的无机材料，即无机离子凝胶为分散相材料，以宽频介电谱及介电-流变技术为主要研究手段，摒弃以往介电研究的常规思路，通过对电流变液在不同电场下的流变学和介电弛豫动力学行为进行比较研究，结合对无机基体、离子液体结构和含量的可控调节，有望发现电流变液在突破临界电场条件下的介电弛豫特性，揭示电流变液在剪切和电场共同作用下的结构演变机制，建立电流变液对电场响应及发生结构变化过程的动力学模型。本项目的开展将有助于人们进一步认识电流变效应的动力学机制，为设计更高性能的电流变材料提供参考依据。

在电流变液研究中，由于实验上缺乏对其响应机制的有效研究手段，导致人们对电流变效应的认识不够充分，电流变液的多方面应用性能也一直未能实现大的突破。本项目通过选用具有灵活结构设计性、较高稳定性的离子液体修饰的无机材料（无机离子凝胶颗粒）作为电流变液分散相，以流变和宽频介电技术为主要研究手段，研究了无机离子凝胶颗粒的合成工艺、离子液体化学结构、修饰量等因素对其结构、电流变性能和介电弛豫过程的影响规律。研究发现，采用接枝和共沉淀法合成的离子凝胶颗粒离子液体主要分布在颗粒外层，颗粒表面粗糙，粒径变小，颗粒在200℃以下的稳定性提升。表面接枝法获得的无机离子凝胶颗粒，其电流变性能得到了一定程度的提升，且随离子液体含量增加，屈服强度先增加后降低。对比不同离子液体结构，长烷基侧基会降低电流变液的屈服强度，而短极性侧基会起到明显的增强作用。离子液体修饰的二氧化钛纳米颗粒表现出极高的电流变性能，但体系漏电流也随之增加，采用离子液体和乙酸双修饰的方法可有效降低电流变液的漏电流密度并保持超高的屈服应力（体积分数25%，电场强度4 kV/mm时达到100 kPa以上）、低零场粘度、高的热稳定性和沉降稳定性等多方面优异特性。对其介电弛豫过程的分析发现，离子液体修饰使颗粒的界面极化表现出不对称性，同时多级极化结构使其弛豫过程复杂，弛豫时间变长，总极化强度增加。在线性极化范围内极化强度随电场强度增加没有变化，剪切可促进颗粒在电场下的极化行为，有利于颗粒的界面极化；临界电场时，电流变液的电导率掩盖了真实的介电信号，影响了对其动力学过程的分析。本项目的研究为兼具高电流变性能和高稳定性的电流变材料设计提供了有效途径，为进一步认识电流变效应机制提供了新的方法。