专利名称：掺杂稀土改性二氧化钛电流变液及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种电流变液材料及其制备技术，特别涉及掺杂稀土改性二氧化钛无水电流变液材料。
电流变液作为一种新型智能材料近年来倍受重视。它是由高介电常数、低电导的易极化电介质颗粒分散于低介电常数的绝缘油中形成的悬浮体系。
目前，电流变液的性能还未达到实用化要求，有关电流变分散相材料的研究主要集中在含水电流变材料和聚合物半导体无水电流变材料上前者(如J.E.Stangroom and I.Harness,German Patent,3310959(1983))是将具有一定吸水能力的高分子材料分散在绝缘油中而形成。但这一材料在温度变化要求很宽的场合下，由于水的结冰或汽化会使材料的性能严重下降；且漏电流大，对金属器件腐蚀严重。后者大多使将聚合物半导体分散在绝缘油中形成，(如H.Block andJ.P.Kelly,U.K.Patent,2170510(1985))，聚合物半导体作为分散相而得到的电流变液，较好解决了前者在使用温度上的局限性。但这一材料在高电场下，漏电流较大近而影响到力学性能，且制备工艺复杂、毒性大、成本极高，因此难于实现商品化和工业化。
为解决这些问题，部分研究者开始转向无机电流变液材料的研究与开发上，且主要是利用氧化物或陶瓷类作为分散相与绝缘油来制备电流变液(如Gillites D,et al.U.K.Patent 2219598(1989))。但从所得材料的综合性能来看，存在力学值低、抗沉降性差、工作温度范围仍偏窄等缺点。
本发明的目的是提供一种利用稀土改性的二氧化钛无水电流变液。它不仅可以有效提高纯二氧化钛电流变液的力学性能，还具有较好的温度效应；且制备简单，产物组分和性能易于控制。
本发明的目的具体实施如下采用溶胶－凝胶反应工艺。
用化学纯以上等级原料钛酸正丁酯(Ti(O-Bu)4)作基体原料、无水乙醇(EtOH)作有机溶剂、稀土的水合氯化物(RECl3·7H2O(RE=La、Ce等))为掺杂剂、一定量的盐酸作催化剂和控制水解与缩聚反应的速度。
反应物的摩尔配比Ti(O-Bu)4∶EtOH∶H2O∶HCl=1∶18～20∶0.625∶0.1～0.2，按RE/Ti=0～0.2摩尔比称取RECl3·7H2O。
首先，将Ti(O-Bu)4与半量的无水乙醇溶剂混合均匀作为第一组分；用一定量的二次去离子水、盐酸将RECl3·7H2O溶解并与另一半量无水乙醇混合均匀作为第二组分。接着，在室温和剧烈搅拌下将第二组分用滴管缓慢滴加到第一组分之中，滴加完毕后继续搅拌5～10分钟以使反应物混合更加均匀，并形成橘黄色透明溶液；然后将此透明溶液放入通风橱中静置12～48小时(凝胶时间将受加水量、盐酸量和EECl3·7H2O量影响)，让其胶凝。待凝胶形成以后，将其放入80℃真空干燥箱内干燥7～8小时，以脱掉有机溶剂和水，并得到疏松的干凝胶块状颗粒。用研钵将其研成细粉，转入坩埚放入箱式电阻炉中，按400℃/2h+500℃/2h连续处理4小时，待炉温降到100℃取出粉体放入干燥器中，即得到了黄色的掺铈二氧化钛复合粉体。最后，将此颗粒150℃/4h干燥后与经150℃/2h烘制过的甲基硅油按颗粒/硅油体积比35％混合均匀，即得到掺杂稀土元素二氧化钛电流变液。
本发明只通过掺杂微量稀土元素即可有效改善二氧化钛的介电性质和电导特性，引起所得电流变液力学值的提高和温度效应的大幅改善，制备简单、成本较低；同时，由于采用传统的溶胶-凝胶反应，所以对制备操作没有特殊要求，反应可在低温下进行，微量元素的掺杂及其均匀分布较易实现。更容易对产物组分和性能实施控制。
本发明的实现过程和材料的性能由以下实施例和
。实施例一(纯TiO2电流变液)将15ml Ti(O-Bu)4(密度约为1.0/cm3)加入到20ml无水乙醇中，并不断搅拌使之混合均匀作为第一组分；将一定量盐酸和0.5ml二次去离子水混合均匀加入到另半量20ml无水乙醇中作为第二组分。在室温和剧烈搅拌下将第二组分用滴管缓慢滴加到第一组分之中，调整PH值=3～4。待滴加完毕后，继续搅拌5～10分钟，使反应物混合均匀，并放入通风橱中静置小时，让其胶凝。待凝胶形成后，放入烘箱中干燥80℃/8h，得到疏松的干凝胶颗粒，用研钵将其研细后放入坩埚内转入箱式电阻炉中，按400℃/2h+500℃/2h热处理4小时，待炉温降到100℃取出放入干燥器中待用。将得到白色的纯二氧化钛粉体按颗粒/硅油的体积比35％混合均匀即得到二氧化钛电流变液。测量其剪切应力与电场强度的关系如图1所示。
按实施例二的制备工艺过程，制备掺CeCl3·7H2O 0.902克的掺铈二氧化钛颗粒材料，并按上述颗粒/硅油体积比35％配制成电流变液。测量其剪切应力与电场强度的关系如图1所示。
附图及说明图1稀土改性后二氧化钛电流变液剪切应力与电场强度(直流)的关系曲线(25℃，剪切速率为1.441 S-1)图2一种改性二氧化钛(RE/Ti=0.085)电流变液电流密度与电场强度(直流)的关系曲线(25℃)图3一种改性后二氧化钛(RE/Ti=0.085)电流变液的剪切强度与剪切速率的关系(25℃)图4一种改性后二氧化钛(RE/Ti=0.085)电流变液表观粘度与剪切速率的关系曲线(25℃)图5不同电场下一种改性二氧化钛(RE/Ti=0.07)电流变液的剪切强度与温度的关系曲线(直流，剪切速率为1.441S-1)
权利要求
1.一种掺杂稀土元素改性二氧化钛电流变液材料及其制备方法。该材料的分散相为掺杂稀土元素改性二氧化钛电介质颗粒材料，连续相基液为甲基硅油；制备该电流变液材料分散相材料的方法选用常用的稀土氯化物和金属醇盐为主反应物，常温下实施无机聚合物型溶胶-凝胶反应，实现微量元素的有效掺杂。
2.如权利要求1所述掺杂稀土元素改性二氧化钛电流变液材料及其制备方法，其特点是分散相颗粒中二氧化钛作为基体物质，稀土元素作为改性剂，即RE-TiO2，其中RE为La、Ce等稀土元素。
3.如权利要求1所述掺杂稀土元素改性二氧化钛电流变液材料及其制备方法，其特征是分散相颗粒材料中RE/Ti=0～0.2(摩尔比)。
4.如权利要求1所述掺杂稀土元素改性二氧化钛电流变液材料及其制备方法，其特征是分散相颗粒材料与甲基硅油的体积比为35％。
5.一种权利要求1所述掺杂稀土元素改性二氧化钛电流变材料及其制备方法，其特征是制备方法包括以下步骤①选用钛酸正丁酯(Ti(O-Bu)4)、稀土水合氯化物(如CeCl3·7H2O)、二次去离子水作反应原料。无水乙醇作有机溶剂。盐酸作PH值调节剂。②按(Ti(O-Bu)4)∶Et(OH)∶H2O∶RECl3·7H2O∶HCl=1∶18～20∶0.625∶0.1～0.2(摩尔比)配料。③将钛酸正丁酯与乙醇混合均匀组成第一组分；H2O、RECl3·7H2O、盐酸与乙醇混合均匀组成第二组分。常温下将第二组分滴加到第一组分中，并不断搅拌，以形成均匀透明溶液，控制PH值为3～5，常温下静置12～48h，待其胶凝。④将凝胶用烘箱80℃干燥7～8h，得到干凝胶，用研钵研成一定细度，转入箱式电阻炉中，按400℃/2h+500℃/2h热处理4小时，得到白色或黄色的掺杂稀土元素改性二氧化钛微细颗粒。将其与甲基硅油按体积比35％混合均匀，即制得了掺杂稀土元素改性二氧化钛电流变液。
全文摘要
本发明介绍了一种电流变液材料及其制备技术,特别涉及一种掺杂稀土改性二氧化钛无水电流变液材料。与以往材料相比,本发明所得电流变液分散相材料稀土改性二氧化钛,即RE－TiO
文档编号C04B35/624GK1301027SQ9911594
公开日2001年6月27日 申请日期1999年12月21日 优先权日1999年12月21日
发明者赵晓鹏, 尹剑波, 向礼琴 申请人:西北工业大学