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CN1490388A - 电流变液 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种电流变液，其含有悬浮在电绝缘疏水液体中的复合材料颗粒。该复合颗粒是结构式为M1xM22－2xTiO(C2O4)2的金属盐，这里M1选自钡、锶和钙，M2选自铷、锂、钠和钾，并且复合颗粒进一步包括一种选自脲、丁酰胺和乙酰胺的助催化剂。

Description

电流变液
                        技术领域
本发明涉及由悬浮的颗粒组成的新颖电流变液，并且具体涉及一种具有相对高屈服应力的流体。
                        技术背景
电流变液(ER)是胶态悬浮体，其流变性质可以通过施加外电场来改变。具体而言，在施加量级为1-2千伏/毫米的电场时，ER可表现出固体状行为，例如传送剪切应力的能力。这种由液态状到固态状的转变可以非常迅速，数量级为1到10毫秒，并且撤去电场时此转变过程可逆。
由于潜在地电流变液可以在电流控制与机械系统之间形成简单、安静且牢固的界面，所以它们是重要的。同样地，它们有许多可能的应用，包括汽车离合器、ABS刹车、冲击吸收、振动阻尼和微电机械系统。
但是，到目前为止，ER液的一个问题是对于许多实际应用而言，其屈服强度过低。已知ER液的屈服强度典型地在1千伏/毫米时不超过3千帕，这对于ER液的大多数潜在应用而言是不够的。在现有技术中，这种低屈服强度被认为是因为，已有的ER液是基于固体颗粒与施加外电场时会产生极化电荷的液体之间的介电差异产生的。该方法的主要缺点在于，颗粒与液体间巨大的介电差异会产生巨大的电流及破坏。
                        发明内容
依照本发明，提供了一种含有悬浮在电绝缘疏水液体中的复合材料颗粒的电流变液，其中，该复合颗粒是结构式为M1xM22-2xTiO(C2O4)2的金属盐，这里M1选自钡、锶和钙，且M2选自铷、锂、钠和钾，并且其中该复合颗粒进一步包括选自脲、丁酰胺和乙酰胺的助催化剂。
从另一个宽泛的角度看，本发明还提供一种电流变系统，它包括一种含有悬浮在电绝缘疏水液体中、体积分数在0.05和0.5之间的复合材料颗粒的电流变液，其中该复合颗粒是结构式为M1xM22-2xTiO(C2O4)2的金属盐，这里M1选自钡、锶和钙，且M2选自铷、锂、钠和钾，且其中该复合颗粒进一步包括一种选自脲、丁酰胺和乙酰胺的助催化剂，以及将直流电场或频率小于1000赫兹的交流电场施加于电流变液的方法。
再从另外一个角度看，本发明提供一种制造用于电流变液的复合颗粒的方法，它包括将含有M1离子的第一溶液、含有M2离子的第二溶液、含有钛离子的第三溶液、稀草酸和助催化剂混合在一起，其中M1选自钡、锶和钙，M2选自铷、锂、钠和钾，助催化剂选自脲、丁酰胺和乙酰胺。
                      附图简单说明
现在通过实施例并参照附图，对本发明的一些实施方案进行描述，其中：
图1是用于本发明一个实施方案的颗粒的透射电子显微镜图像；
图2表示(a)本发明实施方案的介电常数作为频率的函数，及(b)电导率作为频率的函数的坐标图；
图3表示(a)本发明实施方案的静态屈服应力作为外加直流电场的函数，及(b)相应电流密度的坐标图；
图4表示(a)本发明实施方案的静态屈服应力作为外加直流电场的函数，及(b)相应电流密度的坐标图；
图5表示(a)本发明实施方案的静态屈服应力作为外加直流电场的函数，及(b)相应电流密度的坐标图；
图6表示(a)本发明实施方案的静态屈服应力作为外加直流电场的函数，及(b)相应电流密度的坐标图；
图7表示对于四个加入不同重量百分比的脲助催化剂的本发明实施方案的实施例，(a)静态屈服应力和(b)电流密度作为外加直流电场的函数的坐标图；且
图8显示对于本发明的两个实施方案，静态屈服应力作为频率的函数的坐标图。
                        具体实施方式
颗粒制造的实施例
现在通过实施例对用于本发明实施方案中的颗粒的制造进行描述。
按通式M1xM22-2xTiO(C2O4)2/脲(或丁酰胺，或乙酰胺)制造颗粒，这里x优选在0.94和0.96之间。在此通式中，M1可以为钡、锶或钙，且M2是一种选自锂、铷、钠或钾的活化剂。脲可以用丁酰胺或乙酰胺取代。现在给出一个具体实施例，其中氯化钡和氯化铷的用量如下：
BTR(脲) 重量(克) 水(毫升)
氯化钡 73.35  150
氯化铷 3.63  75
氯化钛(IV) 33  300
草酸2-水合物 94.56  750
脲 45  165
首先，在室温下将氯化铷溶解在蒸馏水中，在50℃到70℃的温度范围内将氯化钡溶解在蒸馏水中。同时，在65℃，在超声槽下将草酸溶解在水中。草酸完全溶解可能需要1小时。也用氯化钛(IV)配制溶液。由于氯化钛(IV)在水中活性很高，应使用一次性塑料滴管将液体缓慢地加入水中。
随后将由此制得的溶液混合，并在65℃下在超声浴中处理10分钟，同时加入脲，生成白色胶体，随后将其冷却至室温。用水清洗并过滤后，将沉淀物干燥(在30℃和150℃之间)以去除任何痕量水分。所得干燥白色粉末是一种含有助催化剂(脲或丁酰胺或乙酰胺)的无定形的金属盐(M1＝钡、锶或钙，M2＝铷、锂、钠或钾)titanium oxooxalato。
图1表示按照上述实验步骤制造的颗粒的透射电子显微镜图像。平均粒度为大约70纳米，且颗粒交联以形成簇。
将按照上述步骤制造的颗粒与硅油以在0.05和0.50之间，更优选在0.10和0.35之间的体积分数混合形成ER液。其它可用的油包括矿物油、机油和烃油。油的粘度应在0.5到1PaS之间。用由两块平行电极组成的测定池对所得ER液进行检定。用HP4192A LF阻抗分析仪进行电介质测量，同时用缝宽为1毫米的极板/极板粘度计(Haake RS1)测量其流变性质。所有实验数据用Rheowin软件收集。
下面讨论的是许多按照本发明的实施方案制得的材料的实施例，和不是按照本发明形成但用作比较的实施例。在这些实施例中使用了下列命名法：
BTR-U：该颗粒包括BaCl2、TiCl4和RbCl，脲作为助催化剂。
BTR-B：该颗粒包括BaCl2、TiCl4和RbCl，丁酰胺作为助催化剂。
BTR-A：该颗粒包括BaCl2、TiCl4和RbCl，乙酰胺作为助催化剂。
STR-A：该颗粒包括SrCl2、TiCl4和RbCl，乙酰胺作为助催化剂。
图2(a)和(b)表示颗粒的介电常数(图2(a))和电导率(图2(b))是怎样基本相似的。
图3(a)和(b)分别表示静态屈服应力及电流密度作为外加直流电场的函数。图3(a)表示，对于所有的颗粒来说，其屈服应力随电场而增加，在大约30千伏/毫米时达到30到40千帕。如在图3(a)中所见，BTR-U的静态屈服应力在仅仅1千伏/毫米处即可达到10千帕，而在电场强度为3.5千伏/毫米处能够达到几乎50千帕。
图4(a)和(b)与图3(a)和(b)相似，但比较的是样品BTR-U与未加任何脲助催化剂而制得的相应样品BTR；包含脲助催化剂但不含M2活化剂的相应样品BT-U；以及不含M2活化剂与助催化剂两者而制得的样品BT。可以看出，到目前为止，样品BTR-U提供了最好的静态屈服应力性能，随后是样品BT-U，再次是BTR。既不含M2又不含助催化剂的样品BT实际上不具备电流变性。
图5(a)和(b)显示了图2和图3的样品在外加交流电场中的(a)静态屈服应力和(b)电流密度。所有样品均显示出良好的屈服应力性能，而样品STR-A是最好的。
图6绘制了按照与上面STR-A相同的方法制备，但M2为锂的两个STL-A样品的(a)静态屈服应力和(b)电流密度的坐标图。将两个样品悬浮在硅油中，其体积分数分别为0.20和0.30。两个样品均显示出可接受的结果，但是在外加直流电场为5千伏/毫米时，体积分数为0.30的样品具有几乎二倍的静态屈服应力。
图7绘制了助催化剂(在此例中为脲)重量百分比不同的四个BTR-U样品的(a)静态屈服应力和(b)电流密度的坐标图。由图7可以看出，重量百分比在约0.18和0.22之间是优选的。
最后，图8绘制了在电场强度为1千伏/毫米时，两个样品STR-U和BTR-U的静态屈服应力作为频率函数的坐标图。尽管在两种情形中静态屈服应力均有所下降，但直到至少1千赫时仍具备良好的屈服应力，而且，对于样品STR-U，响应相对平坦。

Claims (10)

1.一种电流变液，其含有悬浮在电绝缘疏水液体中的复合材料颗粒，其中所述复合颗粒是结构式为M1xM22-2xTiO(C2O4)2的金属盐，这里M1选自钡、锶和钙，M2选自铷、锂、钠和钾，并且其中该复合颗粒进一步包括一种选自脲、丁酰胺和乙酰胺的助催化剂。
2.如权利要求1所述的电流变液，其中x在0.94和0.96之间。
3.如权利要求1所述的电流变液，其中所述复合颗粒悬浮在所述电绝缘液体中，其体积分数在0.05至0.5之间。
4.如权利要求1所述的电流变液，其中助催化剂占复合颗粒的0.1至0.3wt％。
5.如权利要求4所述的电流变液，其中助催化剂占复合颗粒的0.18至0.22wt％。
6.如权利要求1所述的电流变液，其中所述疏水液体是一种选自硅油、矿物油、机油和烃油，粘度在0.5至0.1之间的油。
7.一种电流变系统，它包括一种含有悬浮在电绝缘疏水液体中、体积分数在0.05和0.5之间的复合材料颗粒的电流变液，其中所述复合颗粒是结构式为M1xM22-2xTiO(C2O4)2的金属盐，这里M1选自钡、锶和钙，且其中M2选自铷、锂、钠和钾，并且其中所述复合颗粒进一步包括一种选自脲、丁酰胺和乙酰胺的助催化剂，以及将直流电场或频率小于1000赫兹的交流电场施加于电流变液的方法。
8.一种制造用于电流变液的复合颗粒的方法，它包括将含有M1离子的第一溶液、含有M2离子的第二溶液、含有钛离子的第三溶液、稀草酸和助催化剂混合在一起，其中M1选自钡、锶和钙，M2选自铷、锂、钠和钾，且助催化剂选自脲、丁酰胺和乙酰胺。
9.如权利要求7所述的方法，其中该复合颗粒是在温度为30℃至80℃之间的超声槽中合成的。
10.如权利要求8所述的方法，其中该颗粒在应用前在30℃至150℃的温度下进行干燥。
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