表面改性对颗粒间摩擦及其电/磁流变行为的影响研究

Electro/magnetorheological (ER/MR) effect is the phenomenon that particles in suspension instantaneously transform to electric/magnetic dipoles excited by an external electric or magnetic field, thereby increasing the apparent viscosity of the suspension by several orders of magnitude. As a low-power-consuming intelligent fluid, ER/MR fluids have been utilized in torque sensors, vibration dampers, valves and seals, medical instruments and microfluidic devices, etc. However, there is still a lack of reasonable theory to elucidate the mechanisms of ER/MR effect, which blocks the substantive development of ER/MR materials with high performances. In this project, we are planning to fabricate particles with high dielectric constant or superb soft magnetic properties including silica nanoparticles, polyaniline nanoneedles and carbonyl iron, etc. The friction between these particles is planning to be controlled using surface modification technology by adjusting their morphology, surface hardness, surface wettability, etc. The principle and mechanism of ER/MR effect will be discussed based on the rheological and frictional measurements, considering the contributions of electric/magnetic polarization and the friction between particles. It will be of great significance to provide a new idea to reveal the mechanism of ER/MR effect and pave the way to promoting the commercial application of ER/MR fluids.

电/磁流变效应是指在外加电/磁场作用下，悬浮液中的颗粒被迅速极化为电/磁偶极子，悬浮液的表观粘度被提高若干数量级的现象。作为低能耗的智能流体，电/磁流变液在转矩传感、阻尼减振、阀门和密封、医疗器械、微流体装置等领域有重要的应用。然而，目前仍缺乏一个完善的理论来解释电/磁流变效应机理，这极大制约了高强度电/磁流变材料的开发。针对此问题，考虑到颗粒间相互作用对电/磁流变效应的重要影响，本项目拟采用具有高介电常数或优质软磁性的二氧化硅纳米颗粒、聚苯胺纳米针、羰基铁等作为分散颗粒，利用表面改性技术，从形状、表面硬度、表面润湿性等方面对分散颗粒的表面摩擦性质进行调控。从流变学和摩擦学角度系统研究电/磁极化和颗粒间摩擦对电/磁流变效应的共同影响，探索颗粒表面摩擦性质对其电/磁流变效应的作用规律与机理，以期为揭示电/磁流变效应机理提供新的思路，促进电/磁流变智能液的商业化应用。

本项目针对目前电/磁流变研究存在的材料体系单一、流变学效应机理不明确等问题开展研究。首先利用水热法、溶胶-凝胶法、高温煅烧等方法，制备了一系列基于金属氧化物（二氧化硅、二氧化钛）、导电聚合物（聚苯胺、聚吡咯）、二维材料（二硫化钼、氧化MXene、层状双金属氧化物LDH）及其复合物的电流变颗粒和基于钴镍合金的磁流变颗粒；通过改变前驱体的种类、优化极性基团/表面活性剂/碳量子点的比例等策略，调控了上述颗粒的形貌、化学性质和表面粗糙度；优化制备条件和工艺，总结出一套可控的电/磁流变颗粒制备及表面改性方案；从流变学和摩擦学的角度，分析了颗粒-颗粒、颗粒-基液的摩擦性质对其电/磁流变效应的贡献规律；利用CCJ模型、归一化方程等对制备材料的流变性能实验结果进行了分析和拟合。实验证明：1）颗粒的形貌和化学性质对其电/磁流变效应产生较大影响。增加颗粒的长径比和表面极性，可以诱导产生更强的界面极化强度，进而提升颗粒的电/磁流变液的屈服应力；2）颗粒表面粗糙化有利于提高颗粒的电/磁流变效应和分散稳定性。这是因为粗糙的表面增加了接触颗粒间的接触面积和摩擦力，减缓了颗粒在基液中的沉降速度；为基液在颗粒的表面渗透提供了无数个通道，提高了颗粒与基液的浸润性。研究还发现：二氧化硅/二氧化钛材料由于具有较高的介电常数，不仅表现出良好的电流变效应，还具有微波吸收性能，有助于开发多功能复合材料。综上，本项目从实验和理论角度增加了对颗粒的形貌、极性、表面粗糙度与其摩擦力、流变性能的关系认识，推动了该类智能材料在智能控制和其他工程领域的应用。项目执行期间，共发表SCI论文10篇，授权发明专利1项，也做了研究生的培养工作。