纳米颗粒的浸润性与纳米颗粒电流变液的关系.doc

颗粒的浸润性对电流变液的影响


摘要:电流变液是纳米颗粒与绝缘液体按一定配比混合而成复合胶体。在外场下电流变液会呈现粘弹性流体甚至固体的特性。近来,巨电流变液材料是剪切强度增长了一个量级以上,使之能够满足工程应用要求。
但是,电流变液的物理机制还有许多不清楚的地方。为什么油液和颗粒浸润的电流变液有较强的电流变效应,反之,则电流变效应较弱。本文通过计算混合胶体中颗粒之间的作用力,分析了浸润性对电流变液中颗粒分布的影响,从而解释浸润性显著影响电流变效应的原因。并介绍了一种测量颗粒浸润性的可行的方法——动态毛细上升法。
关键字:电流变液浸润性毛细上升法
引文:
自然界中液体和固体是有明显区别的两种物质形态。那么,是否存在一种材料,通过一种媒介作用使它能在液体与固体之间自由转换,分别具有两者的优点呢?现在,有一种称为“电流变液”的东西,正扮演着这种新型材料的角色。电流变液(Electrorheological fluids,简称ER流体)是一种由纳米到几十微米大小的介电微粒与绝缘液体混合而成的复杂流体,一般由低介电常数的绝缘基础液(连续相)、具有较高的相对介电常数和较强极化能力的固体粒子(分散相)和起粒子表面活化的添加剂组成。没有外电场时,它的外观很像机器用的润滑油;通电时,电流变液中的固体颗粒获得电场的感应作用,首先在两极板间排成链,随电场进一步增强,链之间相互作用而聚集成柱,液体粘度随外电场增加而变稠,即处于“牛顿流体-粘弹性流体-固体”间的变化(如图1所示)。当电场足够大时,整个体系在毫秒数量级内就表现出类似固体的特征。当去掉外加电场时,它又在毫秒数量级内由固态重新恢复到原有的液态。由于这种材料可以在电场作用下在液态和固态之间转换,故被称为电流变液。由于电场可由电脑操纵,因此可变态的电流变液又被称为智能材料。
使用电流变液有许多传统机械无可比拟的优点,美国能源部在《电流变液评估报告》中认为“电流变液将使工业和技术的若干部门出现革命性的变革”。但电流变液没有得到普遍应用,主要是由于在相当长的一段时间内电流变液的剪切应力只达到10千帕左右,一直没有达到工业应用的要求,不能满足工程应用要求从而限制了它的发展。 2002年张玉玲和陆坤权,发现钛酸锶颗粒所组成的电流变液材料的剪切应力达到27kPa,这基本上很接近当时理论上的极限值。2003年,香港科技大学沈平和温维佳等研究成功具有巨电流变(Giant Electrorheological 简称GER) 效应的纳米颗粒电流变液,GER流体由表面包裹有尿素(Urea)薄层的(BaTiO(C2O4)2) 纳米颗粒与硅油混合而成。2004年,西北工业大学赵晓鹏等合成了掺有稀土金属的纳米二氧化钛的巨电流变液材料
。此类材料的电流变效应远远突破了通常理论所预测的“上限”,剪切强度可超过130千帕,比现有电流变
No Field Field is on
图1 电流变液的工作原理
液高一个量级以上,使得电流变液的研究工作有了新的突破。
→
→
影响电流变液性质的因素主要有:
电学参数:体系外加电场的强度
固体颗粒体积与分布:大小以及体积分数
颗粒的物理特征:介电常数和电导率,几何外形
基液的性质:包括液体的黏度,浸润性等
本可以研究的是电流变液的基液对流变液性质的影响。电流变液基础液可采用煤油、矿物油、植物油、硅油等经理化处理的物体构成,要具有绝缘性能好,耐高压,低粘度,在无电场作用下具有良好流动性这些性质。这些性质怎样影响电流变液效应的机理目前仍然未被明确地证实。已知的结论是基液的许多性质,特别是液体与颗粒的浸润性对电流变性质地好坏起着决定性地作用。香港科大的沈平和温维佳等在实验中发现[1] PAO油与尿素包裹的草酸钛钡颗粒的混合胶体未呈现良好的电流变效应,胶体中颗粒出现聚团现象;当混合胶体加入表面活性剂(油酸)之后,浸润性得到改善,颗粒分布均匀良好,混合胶体呈现极好的电流变效应,但并未提及浸润性影响流变液性质的原因。为解释该问题,研究浸润性质影响的理论模型,我们做了以下工作。
理论计算:浸润性对于电流变液的作用
一、颗粒分散对于电流变液效应的影响:
PAO油与尿素包裹的草酸钛钡颗粒混合胶体的电流变液性质在浸润性改变前后差异明显,同时颗粒的分布情况也发生了显著的改变。那么是否因为颗粒分散情况发生变化,从而改变了胶体的电流变液效应呢?为了证明这点,我们对不同的颗粒分布模型进行了计算机模拟。

图2 计算机模拟示意图
图2中,左图是单个颗粒作用力的模拟,右图中是两个由14个颗粒(立方体8个定点以及6个面的中心)团聚后组成的颗粒团。在加外场的条件下产生极化现象,此时颗粒团之间的作用力与单个颗粒之间的作用力相比要小很多,其数值有数量级上的差别(14