多孔钙钛矿型纳米材料的制备及其电流变性能研究

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电流变液是由纳米-微米尺寸的介电颗粒分散于绝缘介质中形成的一类智能材料。电流变液的典型特征是表观粘度随着外加电场的变化而发生快速、可逆的变化。这种转变可以用下面的公式来定义,即:ηB=η0+△η=η0+τE/γ(ηB是外加电场存在时的表观粘度,η0是没有外加电场存在条件下的表观粘度,τE为剪切应力,γ是剪切速率)。由于表观粘度等理化性质可以通过电场加以调控,因此电流变液在工业控制领域存在巨大的潜在应用前景。本论文的主要出发点是制备新颖的电流变材料,主要工作为新颖多孔钛酸锶和多孔钛酸钡纳米材料的制备、电流变性能与颗粒的多孔结构和比表面积关系研究以及极性小分子硫脲的掺杂对颗粒电流变性能的影响等。具体研究内容包括以下几个方面:   首先以钛酸正丁酯Ti(OBu)4和氢氧化锶Sr(OH)2·8H2O为起始反应物,采用简单快速的超声辐射方法制备了具有不同形貌的纳米多孔钛酸锶晶体粒子。研究了反应时间、辐射功率和pH值等实验条件对粒子形貌的影响以及pH值对粒子晶形的影响。产物的化学组成、孔性质、微结构和表面形貌分别采用X-射线衍射(XRD)、氮气吸附-脱附方法、扫描电子显微镜(SEM)以及透射电子显微镜(TEM)来表征。当固定超声功率和反应体系pH值为一定值时,反应时间为100min时菊花形貌的钛酸锶多晶颗粒形成,并且随着反应时间的延长,粒子的形貌和尺寸都没有显著变化;固定超声时间为100 min、体系pH值一定时,超声功率的改变对粒子的形貌和晶形都没有明显影响;固定超声功率和超声时间为100min时,体系pH值的变化对钛酸锶的形成起决定作用。在pH值低于10时,无钛酸锶晶体形成;当pH值从10增大到12时,粒子的形貌和晶形分别从菊花形转变成球形、多晶转变成单晶颗粒。与此同时我们研究了固定超声功率和超声时间,改变体系pH值为10、11和12条件下所得粒子制备的电流变液的流变性能。   其次采用溶胶-凝胶法,以聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯(P-123)三嵌段共聚物为模板剂合成了一种新颖的纳米多孔钛酸钡(BaTiO3)晶体粉末并且研究了粒子的电流变性能随粒子结构的变化关系。在实验过程中通过改变煅烧温度来控制钛酸钡粉末的孔径和比表面积。结果表明钛酸钡晶体粉末的孔体积和比表面积随着煅烧温度的增加而降低。同时,在相同条件下,将分别在550℃、650℃、900℃温度下煅烧的钛酸钡晶体粉末分散在硅油中制得电流变液。采用装有电场发生器的旋转流变仪对制得的钛酸钡电流变液进行流变性能测试,结果表明电流变效应与钛酸钡晶体的孔体积和比表面积有一定的相关性。由于溶胶-凝胶法在制备纳米多孔钛酸钡过程中的特殊优点即对产物没有污染,所得颗粒非常纯净,从而使所制备的钛酸钡电流变液具有相当低的电流密度。拥有大比表面积的钛酸钡粉末制备的电流变液的屈服应力最大值能达到3kPa,这比传统纯钛酸钡晶体粉末制各的电流变液的屈服应力要高得多(低于1kPa)。   最后,在制备纳米多孔钛酸钡(BaTiO3)晶体粉末的基础上,将煅烧温度降低到350℃煅烧钛酸钡凝胶制备了Ba-Ti-O纳米材料;并且对Ba-Ti-O纳米材料与掺杂不同比例极性小分子硫脲的Ba-Ti-O材料所制备的电流变液的流变性能进行了比较研究。结果表明,在外加电场E=3.5kV/mm时,掺杂硫脲量为15%的Ba-Ti-O纳米材料电流变液的屈服引力可以达到5.7 kPa,大约是未掺杂硫脲Ba-Ti-O纳米材料的9倍。掺杂极性小分子硫脲对Ba-Ti-O纳米材料的电流变效应有很大影响。
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