基于碳量子点的电流变材料的制备方法及电流变材料

1.本发明涉及电流变技术领域，尤其涉及一种基于功能化碳量子点的电流变材料的制备方法及电流变材料。


背景技术：

2.电流变液(erf)材料由于能耗低、响应速度快等优点，已被应用于微流体技术、阻尼器、执行器、软机器人、制动器、减震系统和人体肌肉等领域。但是，由于电流变液是由微纳米颗粒(分散相)与绝缘连续相(连续相)组成的悬浮液，在热力学上属于介稳态流体，因此其稳定性、温度适用范围、零场粘度较高、材料的可持续性和安全性等方面仍有待提高，尤其是抗沉降稳定性较差的问题限制了电流变液的实际应用。此外，对于具有较高屈服强度的电流变液，分散相中包含一定量的极性分子，导致这类电流变液的热稳定性较差和安全性较低。
3.目前，被选作erf分散相的固体材料主要包括无机非金属、导电有机物和聚合物半导体材料。其中，无机非金属材料具有良好的电流变效应，但由于金属阳离子的移动，此类erf的电流密度相对较高，从而降低了其安全性；同时这些无机材料大多具有较高的硬度，对器件造成很大的损坏；此外，这种类型材料制备的颗粒密度较大，制备得到的erf抗沉降稳定性较差。导电有机物和聚合物相比无机非金属材料更易分散在连续相中，得到表观粘度十分低的erf，但是其电流变效应相对较弱。同时，由于聚合物型erf颗粒极易团聚，因此具有相对较高的电流密度和较差的分散稳定性。
4.因此，开发具有高电流变效率、低零场粘度、低电流密度、高抗沉降稳定性和热稳定性的电流变液材料，变得日益紧迫。


技术实现要素：

5.核壳结构是最具代表性的erf分散相结构，这类erf通常具有更高的电流变效应、优异的颗粒分散性和抗沉降性能。核壳结构的核材料的介电性能直接影响相应erf的电流变效应，故通常选择具有高介电常数的材料作为颗粒的核。但是核壳颗粒的合成工艺复杂，不适宜于工业化的大规模生产，并且纳米颗粒极易出现团聚和两相分离的情况，造成稳定性降低。本发明开发出一种基于功能化碳量子点的纳米颗粒作为erf的分散相，从而实现通过简单工艺制备高性能的电流变材料。碳量子点(cds)表现出良好的半导体特性、良好的稳定性和低毒性，在电催化、光催化、生物成像、dna结构转变等领域有广泛的应用。本发明通过将碳量子点与氢氧化钴纳米线耦合，生成碳量子点修饰的三维放射状氢氧化钴电流变颗粒，从而得到一种新型的高性能电流变材料。
6.本发明实施方式的目的在于一方面提供一种基于功能化碳量子点的电流变材料的制备方法，包括以下步骤：
7.步骤s1：合成功能化碳量子点cds；
8.步骤s2：制备co(oh)2@cds颗粒，包括以下步骤：
9.s21：将六水合氯化钴、尿素和去离子水按照质量比为1：0.25：(25-30)混合均匀，得到混合溶液a；按照六水合氯化钴与所述碳量子点cds的重量比为1：(0.014-0.07)的比例，把所述碳量子点cds加入到所述混合溶液a中，混合均匀，得到混合溶液b；
10.s22：将所述混合溶液b加至高压反应器中，80-120℃保持数小时后冷却至室温；
11.s23：取出反应产物，进行离心、清洗、干燥处理，得到耦合颗粒co(oh)2@cds，所述耦合颗粒co(oh)2@cds为碳量子点修饰的三维放射状氢氧化钴颗粒；
12.步骤s3：将所述耦合颗粒co(oh)2@cds与电流变液连续相混合，得到基于功能化碳量子点的电流变材料。
13.进一步的，步骤s1中采取水热法合成所述功能化碳量子点cds，包括以下步骤：
14.s11：将柠檬酸溶解在去离子水中，得到0.45-0.55mol/l的柠檬酸溶液；
15.s12：按照柠檬酸、乙二胺摩尔比为1：1，将乙二胺溶液加入到所述柠檬酸溶液中得到混合溶液c；
16.s13：将所述混合溶液c加至高压反应器中，180-220℃保持数小时后冷却至室温；
17.s14：取出反应产物，进行离心、透析、零下50-零下70℃冷冻干燥处理24-60小时，得到所述功能化碳量子点cds。
18.进一步的，步骤s2中，随着所述功能化碳量子点cds的加入量的增加，制得的所述耦合颗粒co(oh)2@cds的微观形貌由哑铃状纳米束逐渐向不完全放射状纳米束直至完全放射状纳米束变化，其中氢氧化钴为纳米线状，所述功能化碳量子点cds为纳米尺寸且均匀耦合在氢氧化钴纳米线表面。
19.进一步的，当所述耦合颗粒co(oh)2@cds中所述碳量子点cds的含量达到质量分数2.5％-5.5％时，制得的所述耦合颗粒co(oh)2@cds的微观形貌为不完全放射状纳米束；当所述耦合颗粒co(oh)2@cds中所述碳量子点cds的含量达到质量分数5.5％-7.5％时，制得的所述耦合颗粒co(oh)2@cds的微观形貌为完全放射状纳米束。
20.进一步的，随着所述功能化碳量子点cds的加入量的增加，制得的所述电流变材料的电流变效应增强、表观粘度降低，且所述耦合颗粒与所述电流变液连续相之间的润湿性增强，以及所述电流变材料的剪切应力不随剪切速率的升高而降低。
21.本发明实施方式的目的在于另一方面提供一种基于功能化碳量子点的电流变材料，包括：分散相，所述分散相为耦合颗粒co(oh)2@cds，所述耦合颗粒co(oh)2@cds为碳量子点修饰的三维放射状氢氧化钴颗粒；连续相，所述连续相为绝缘液体；所述分散相均匀分散在所述连续相中形成悬浮液。
22.进一步的，所述氢氧化钴co(oh)2为纳米线状，所述功能化碳量子点cds为纳米尺寸且均匀耦合在氢氧化钴纳米线表面。
23.进一步的，随着所述分散相中的所述功能化碳量子点cds的含量的增加，所述耦合颗粒co(oh)2@cds的微观形貌由哑铃状纳米束逐渐向不完全放射状纳米束直至完全放射状纳米束变化。
24.进一步的，当所述耦合颗粒co(oh)2@cds中所述碳量子点cds的含量达到质量分数2.5％-5.5％时，所述耦合颗粒co(oh)2@cds的微观形貌为不完全放射状纳米束；当所述耦合颗粒co(oh)2@cds中所述碳量子点cds的含量达到质量分数5.5％-7.5％时，所述耦合颗粒co(oh)2@cds的微观形貌为完全放射状纳米束。
25.进一步的，随着所述分散相中所述功能化碳量子点cds的含量的增加，所述电流变材料的电流变效应增强、表观粘度降低，且所述分散相与所述连续相之间的润湿性增强，以及所述电流变材料的剪切应力不随剪切速率的升高而降低。
26.本发明实施方式相对于现有技术而言，本发明具有以下优点：
27.1.以氢氧化钴纳米线为载体，以表面功能化的碳量子点进行表面修饰，通过简单的水热法制备得到碳量子点修饰的三维放射状氢氧化钴电流变颗粒，制备工艺简单，成本低。
28.2.由于碳量子点表面富含c＝o、n-h和c-nh-c等官能团，具有良好的溶液分散性和与其他功能材料的相容性，因此碳量子点不仅能与氢氧化钴纳米线偶联，而且使得生成的纳米颗粒具有良好的分散性，适合用于erf的分散相。
29.3.区别于传统的极性分子型erf，功能化碳量子点的半导体性质使得生成的耦合颗粒co(oh)2@cds具有优异的电流变效应和较低的电流密度，电流变效率可高达10000(即施加电场的屈服强度与不施加电场的屈服强度之比)。分散相颗粒中cds含量越高，相应erf具有更大的介电常数，表现出更高的屈服强度。这主要是由于纳米cds具有良好的半导体特性，在外电场作用下可以产生较大的偶极矩，因此co(oh)2@cds颗粒可以在外加电场条件下产生偶极矩，而相邻颗粒之间的高局部电场也有利于在电流变颗粒上产生较大的偶极矩，从而使颗粒之间会产生较大的相互作用力。随着外加电场强度的增加，会增强电流变颗粒之间的强静电相互作用，形成了更加牢固和粗壮的纤维结构，对外表现出更高的屈服强度。
30.4.功能化碳量子点表面的亲油基团和三维放射状氢氧化钴颗粒结构的协同。即，一方面由于碳量子点表面具有大量的官能团(例如-nh键和-c-nh-c键)，它们可以与连续相硅氧烷形成弱氢键以提高润湿性；另一方面由于碳量子点的添加将纳米线状的氢氧化钴颗粒的形貌改变为放射状纳米线形貌，与co(oh)2纳米线相比，放射状co(oh)2@cds纳米线颗粒具有更大的比表面积，进而使得氢氧化钴颗粒与表面功能化碳量子点偶联后形成的分散相与连续相具有良好的润湿性，从而使该基于功能化碳量子点的电流变材料具有优异的抗沉降性能、良好的热稳定性、低零场粘度和较高的安全性。
附图说明
31.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
32.图1为本发明实施例的co(oh)2纳米线及三种不同cds含量的耦合颗粒co(oh)2@cds的sem图像，其中，(a)co(oh)2纳米线的sem图像，(b)co(oh)2@cds-20哑铃形颗粒的sem图像；(c)co(oh)2@cds-50不完全放射状颗粒的sem图；(d)co(oh)2@cds-100完全放射状颗粒的sem图像；
33.图2为co(oh)2@cds-100完全放射状颗粒在不同放大倍率下的tem图像；
34.图3为co(oh)2@cds-100颗粒的eds重叠图像和元素映射图像，其中，(a)和(b)为co(oh)2@cds-100颗粒的eds重叠图像，(c)co(oh)2@cds-100颗粒的碳元素映射图像，(d)co(oh)2@cds-100颗粒的钴元素映射图像，(e)co(oh)2@cds-100颗粒的氧元素映射图像,(f)co(oh)2@cds-100颗粒的氮元素映射图像；
35.图4为co(oh)2、co(oh)2@cds、co(oh)2@cds-20、co(oh)2@cds-50、co(oh)2@cds-100
和cds的xrd图谱；
36.图5为co(oh)2、co(oh)2@cds-20、co(oh)2@cds-50、co(oh)2@cds-100和纯cds材料的tg曲线，以及co(oh)2@cds-20、co(oh)2@cds-50和co(oh)2@cds-100中的碳量子点含量；
37.图6为co(oh)2@cds电流变液的屈服强度测试结果图，其中，(a)分散相质量分数分别为20％、30％和40％的co(oh)2@cds-100电流变液在不同强度外加电场强度(electric field)下的屈服强度(yield stress)；(b)分散相质量分数为40％的co(oh)2悬浮液、co(oh)2@cds-50和co(oh)2@cds-100电流变液在不同强度电场下的屈服强度；
38.图7(a)为co(oh)2、co(oh)2@cds-20、co(oh)2@cds-50、co(oh)2@cds-100颗粒与二甲基硅油的接触角；图7(b)为co(oh)2和co(oh)2@cds-100颗粒的n2吸附等温线；
39.图8co(oh)2胶体(左)和co(oh)2@cds-100电流变液(右)的实物照片；
40.图9为分散相质量分数为40％的co(oh)2@cds-100电流变液在0,1,2,3kv/mm的电场强度下的动态剪切应力随剪切速率变化曲线；
41.图10为分散相质量分数为20％的co(oh)2@cds-100电流变液和co(oh)2@cds-50电流变液抗沉降率随时间的变化曲线及测试30天后样品宏观沉降情况；
42.图11(a)为分散相质量分数为40％的co(oh)2@cds-100电流变液在外加电场强度为5kv/mm时不同温度下的屈服强度，(b)为在不同外加电场强度下不同质量分数的co(oh)2@cds-100电流变液的电流密度。
具体实施方式
43.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本技术而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本技术所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。
44.实施例1
45.本发明实施方式提供一种基于功能化碳量子点的电流变材料的制备方法。包括以下步骤：步骤s1为功能化碳量子点(cds)的合成；步骤s2为co(oh)2@cds电流变颗粒的合成；步骤s3为co(oh)2@cds-erf电流变液材料的制备。
46.步骤s1：功能化碳量子点(cds)的合成
47.在本实施例种通过水热法合成cds。首先将40mmol柠檬酸溶解在80ml去离子水中，超声搅拌保证其充分溶解，然后将2.8ml乙二胺添加入柠檬酸溶液中充分搅拌。再将混合溶液转移至200ml的聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，在200℃的烘箱中加热6小时。待不锈钢高压釜冷却到室温后取出反应产物，对反应产物进行离心处理除去沉降在底部的杂质，倒入离心管中以10000rpm(转/秒)的转速离心5分钟。然后对棕色液态产物进行透析处理，在本实施例中，在透析的过程中每两个小时更换一次透析所用的纯水，透析的总时长为48小时。将透析后的溶液放入冷冻干燥机中进行冷冻干燥，冷冻干燥机的冷井温度为零下50℃，干燥时间为50小时。冷冻干燥后即可得到黑色cds粉末。
48.步骤s2：co(oh)2@cds电流变颗粒的合成
49.首先将6mmol六水合氯化钴、6mmol尿素均匀分散在40ml去离子水中，向去离子水中加入20mg功能化碳量子点cds，然后将该混合液转移至100ml的聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，在100℃的烘箱中加热6小时。待不锈钢高压釜自然冷却到室温后，将反应所得产物转移至离心管中，以10000rpm的转速离心5分钟。然后使用无水乙醇对沉入离心管底部的粉色粉末进行多次洗涤，并重复离心。洗涤离心3次后过滤得离心管中的颗粒，在80℃的烘箱中烘干48小时，完全去除水分后得到co(oh)2和量子点cds的耦合颗粒，记为co(oh)2@cds-20。
50.改变功能化碳量子点cds的加入量分别为50mg和100mg，其余制备流程和参数均不发生改变，即可制备得到cds含量不同的耦合颗粒，分别记为co(oh)2@cds-50和co(oh)2@cds-100。
51.步骤s3：co(oh)2@cds电流变液的制备
52.将上述三种不同cds含量的co(oh)2@cds颗粒分别与电流变液连续相(例如二甲基硅油)按照一定的比例进行混合，在室温下充分研磨以制备出均匀的混合流体或胶体。通过调节电流变颗粒和二甲基硅油的质量比，可以合成质量分数为10-50％的电流变液。
53.实施例2
54.本发明实施方式提供一种基于功能化碳量子点的电流变材料。包括：分散相和连续相。分散相为耦合颗粒co(oh)2@cds，耦合颗粒co(oh)2@cds为碳量子点cds修饰的三维放射状氢氧化钴co(oh)2颗粒；连续相为绝缘液体，在本实施例中为二甲基硅油；分散相均匀分散在连续相中形成悬浮液，即电流变液。
55.实施例3
56.利用实施例1的制备方法，通过调节cds的添加量分别为20mg、50mg和100mg，制备得到co(oh)2@cds-20、co(oh)2@cds-50和co(oh)2@cds-100三种cds含量不同的电流变颗粒。通过调节电流变颗粒和二甲基硅油的质量比，制得质量分数为40％的co(oh)2@cds-20/50/100电流变液,以及质量分数分别为20％和30％的co(oh)2@cds-100电流变液。以下对制得的各电流变液样本进行颗粒形貌、微观结构、电流变性能、流变学性能、浸润性、稳定性与安全性等性质和性能的测试。
57.(1)co(oh)2与co(oh)2@cds颗粒形貌表征
58.图1为本发明实施例的co(oh)2纳米线及三种不同cds含量的耦合颗粒co(oh)2@cds的sem(扫描电子显微镜)图像。在不添加cds的情况下制备的co(oh)2呈现纤维状结构，如图1(a)所示。在制备过程中cds的添加量为20mg时,制备的co(oh)2@cds-20颗粒呈现哑铃状，如图1(b)所示。当cds的添加量为50mg时,制备得到不完全的放射状形态颗粒，颗粒尺寸在10μm左右，如图1(c)所示。当cds的添加量增加到100mg时，制备的co(oh)2@cds-100颗粒具有完整的3d放射状几何结构，如图1(d)所示。
59.图2为本发明实施例的co(oh)2@cds-100颗粒在不同放大倍率下的tem(透射电子显微镜)图像。由图2(a)可以发现，co(oh)2@cds-100颗粒外部的纳米线均匀地固定在微球表面，呈现三维放射状的形貌。co(oh)2@cds-100颗粒在较大放大倍率下的tem图像如图2(b)和2(c)所示，清楚地显示了纳米线的形貌以及cds与纳米线良好的结合。通过图2(d)可以更加清晰的观察到cds与氢氧化钴良好的结合。其中，氢氧化钴为纳米线状，cds在纳米线表面分布均匀且为纳米尺寸。图3为co(oh)2@cds-100颗粒的eds重叠图像和元素映射图像。
图3显示了钴、氧、碳和氮元素在co(oh)2@cds-100颗粒表面的均匀分布，这也证明了cds与co(oh)2的良好结合。
60.(2)co(oh)2与co(oh)2@cds颗粒的xrd(x射线衍射)与tg(热重)表征
61.图4为co(oh)2、co(oh)2@cds、co(oh)2@cds-20、co(oh)2@cds-50、co(oh)2@cds-100和cds的xrd图谱。如图4所示，从xrd测试曲线可以看出，co(oh)2和co(oh)2@cds样品的尖锐反射峰分别为17.4
°
、33.4
°
、34.9
°
、36.4
°
、39.1
°
、46.5
°
、53.3
°
、55.4
°
和61.3
°
，根据co(co3)0.35cl0.20(oh)1.10nws(jcpds:38-0547)标准卡，0.25和0.235nm的晶格条纹归因于36.4
°
和39.1
°
对应的xrd峰，0.21nm处的面间距归因于cd的(100)面，证明了co(oh)2@cds耦合结构的形成。
62.耦合颗粒中cds的含量可以通过tg测量来进行估算。图5为co(oh)2、co(oh)2@cds-20、co(oh)2@cds-50、co(oh)2@cds-100和纯cds材料的tg曲线，以及co(oh)2@cds-20、co(oh)2@cds-50和co(oh)2@cds-100中的碳量子点含量。如图5所示，co(oh)2、co(oh)2@cds-20、co(oh)2@cds-50和co(oh)2@cds-100均在250℃左右时质量出现急剧下降，这归因于结构水和二氧化碳的去除造成。co(oh)2@cds-20、co(oh)2@cds-50和co(oh)2@cds-100对应的失重减去co(oh)2的失重后的质量分数分别为1.01％，2.74％和6.09％，与cds的添加量接近。
63.(3)co(oh)2@cds-erf的电流变性能
64.图6为co(oh)2@cds电流变液的屈服强度测试结果图。图6(a)显示了co(oh)2@cds-100-erf的屈服强度与颗粒质量分数之间的关系，以及其屈服强度随外加电场强度增强的变化情况。co(oh)2@cds-100-erf的屈服强度显示出与电场强度的近线性关系。另外在相同的外加电场强度作用下，co(oh)2@cds-100-erf的屈服强度随分散相质量分数的增大而升高。分散相质量分数为40％的co(oh)2@cds-100-erf表现出优异的电流变性能，外加电场强度为6kv/mm时的屈服强度达到3kpa。图6(b)显示了co(oh)2悬浮液和co(oh)2@cds-50-erf在不同强度外加电场条件下的屈服强度。co(oh)2悬浮液在外加电场作用下几乎不存在电流变效应，其屈服强度值并没有随着电场强度的提高而发生改变。co(oh)2@cds-50-erf的屈服强度会随着外加电场强度的提高而增大，二者也基本满足线性关系。但在相同强度的外加电场条件下co(oh)2@cds-50-erf的屈服强度明显低于co(oh)2@cds-100-erf。因此通过图6(b)的数据可知，cds赋予了co(oh)2颗粒电流效应，cds含量越多，co(oh)2@cds-erf的电流变性能越优越。这主要是由于纳米cds具有良好的半导体特性，在外电场作用下可以产生较大的偶极矩，因此co(oh)2@cds颗粒可以在外加电场条件下产生偶极矩，而相邻颗粒之间的高局部电场也有利于在电流变颗粒上产生较大的偶极矩，从而使颗粒之间会产生较大的相互作用力。随着外加电场强度的增加，会增强电流变颗粒之间的强静电相互作用，形成了更加牢固和粗壮的纤维结构，对外表现出更高的屈服强度。
65.通过计算分散相质量分数为20％的co(oh)2@cds-100-erf的电流变效率，可以量化评估co(oh)2@cds-100-erf的电流变性能。分散相质量分数为20％的co(oh)2@cds-100-erf在施加强度为5kv/mm的外加电场时，其屈服强度τe约为1kpa。在不施加电场的情况下，其屈服强度τ0约为0.1pa。通过电流变效率计算公式可以得到其电流变效率e约等于10,000。相比同类型同种质量分数的电流变液，co(oh)2@cds-100-erf的电流变效率最高，并且超出许多含有极性分子erf的电流变效率，例如巨电流变液(gerf)。
66.(4)co(oh)2@cds-erf的流变学性能
67.研究co(oh)2、co(oh)2@cds-20-erf、co(oh)2@cds-520-erf、co(oh)2@cds-100-erf的粘度随剪切速率变化趋势后，发现cds含量越多的co(oh)2@cds-erf的表观粘度越低，特别是co(oh)2@cds-100-erf的表观粘度为0.46pa
·
s，显著低于其它同类型erf。cds含量较少的co(oh)2@cds-20-erf和co(oh)2@cds-50-erf的表观粘度就要高出许多，大约为1.8pa
·
s。而co(oh)2胶体的粘度很难达到一个稳定值，会随剪切速率的升高而出现较大的变化，表明co(oh)2胶体中的颗粒与连续相间结合较差。同时发现co(oh)2@cds-100-erf的粘度率先达到稳定的粘度值，这也能够说明该erf几乎不发生剪切稀化现象。
68.表1利用herschel-bulkley流变模型拟合得到不同erf的动态屈服应力τ0和剪切稀化系数(n)
[0069][0070]
(5)co(oh)2@cds与连续相的浸润性
[0071]
随着分散相中cds含量的增加，co(oh)2@cds-erf的动态屈服强度和表观粘度逐渐降低，剪切变稀现象减弱。co(oh)2@cds-erf的流变特性取决于分散相颗粒的性质以及分散相和连续相之间的相互作用。通过接触角测试可以直接反映出分散相颗粒与连续相之间的浸润性。图7(a)为co(oh)2、co(oh)2@cds-20、co(oh)2@cds-50、co(oh)2@cds-100颗粒与二甲基硅油的接触角；图7(b)为co(oh)2和co(oh)2@cds-100颗粒的n2吸附等温线。由图7(a)可知，co(oh)2@cds-100颗粒与硅油的接触角最小，仅为11.01
°
，另外随着co(oh)2@cds颗粒中cds含量的增加，接触角逐渐减小。表明分散相中的cds有利于提高分散相颗粒与连续相之间的润湿性。润湿性的提高对提高erf动态屈服强度、表观粘度和提高剪切稀化性能有积极作用。cds对颗粒浸润性的提高主要原因有两点：co(oh)2@cds颗粒中的cds表面具有大量的-nh和-c-nh-c键，它们可以与连续相硅氧烷形成弱氢键以提高润湿性；另外，与co(oh)2纳米线相比，放射状co(oh)2@cds-100纳米线颗粒具有更大的比表面积，而分散相较大的比表面积有利于提高分散相与连续相之间的润湿性。因此，分散相中的cds由于自身含有大量多功能基团，对电流变颗粒浸润性提升有积极作用，并且cds的添加能够改变电流变颗粒的形貌，使颗粒具有更大的比表面积，从而使得电流变液具有更好的流变学性能。结果，不含碳量子点的co(oh)2胶体呈现黏土状，流体性质上符合宾汉流体的特性，但在cds含量较高的co(oh)2@cds-100-erf具有明显的流动性，呈现出牛顿流体特性，如图8所示。
[0072]
(6)co(oh)2@cds-erf动态剪切应力稳定性
[0073]
co(oh)2@cds颗粒与连续相之间具有良好的润湿性，这对于erf的动态剪切应力稳定性也具有积极作用。erf的动态剪切应力稳定性是指其在较高剪切速率条件下，施加外加电场后的剪切应力的波动情况，若剪切应力不会随剪切速率的改变而出现下降的情况，则表明该erf具有良好的动态剪切应力稳定性。动态剪切应力主要以电场引起的静电相互作用和剪切场引起的流体动力相互作用为主。在高剪切速率条件下，流体动力相互作用增强并逐渐克服静电相互作用，电流变颗粒延电场方向排列的链状结构被破坏，当破坏速率大
于复合速率时，剪切应力减小。此外，在测试过程中随着剪切速率的提升，分散相在离心力作用下会向电极外缘迁移，导致分散相和连续相的两相分离，这会导致电流变效应的减弱，从而使剪切应力减小。因此大部分erf的动态剪切应力会随着剪切速率的增加而出现减小的情况，该种情况的发生不利于erf的实际应用。
[0074]
如图9所示，分散相质量分数为40％的co(oh)2@cds-100-erf在强度为1、2和3kv/mm的外加电场下表现出优异的动态剪切应力稳定性。当外加电场强度为3kv/mm时，co(oh)2@cds-100-erf的动态剪切应力基本可以稳定在300pa左右，剪切应力并没有出现随剪切速率的升高而降低的情况。这主要由于co(oh)2@cds-100颗粒对连续相具有良好的润湿性，二甲基硅油可以紧密地包覆在颗粒周围，使其即便在较高剪切速率下也不易两相分离。同时，由于co(oh)2@cds-100-erf的具有高介电常数，在施加外加电场的情况下颗粒间能产生较大的静电力作用，形成的链状结构不易被破坏。其次仿生放射状结构具有较大的比表面积，增大了颗粒间的接触面积，有利于极化增强。另外得益于仿生放射状颗粒的形貌结构，在外加电场下的放射状颗粒紧密聚集在一起，具有很强的颗粒间摩擦和机械凝聚力，形成牢固的链状结构。
[0075]
(7)co(oh)2@cds-erf的稳定性与安全性
[0076]
由于erf是一种悬浮液，分散相与连续相之间存在固液界面，因此erf在热力学上是不稳定的，属于介稳态体系。因此电流变颗粒易出现团聚的情况，从而导致erf电流变效应的衰弱，团聚严重时甚至会导致底部出现固液分离和板结现象。另外由于分散相颗粒与连续相的密度不匹配会引起沉降，导致erf稳定性较差，这也不利于erf的实际应用。所以高抗沉降稳定性是评价高性能erf的重要指标。宏观抗沉降率法常被用来评价erf稳定性能的等级，其计算方法见图10中的公式。澄清液部分高度越低，样品抗沉降性能的越优异。
[0077]
在30天静置测试中，发现分散相质量分数为20％的co(oh)2@cds-100-erf具有优异的抗沉降性能。经过30天的测试，该样品的抗沉降率仍然保持在90％以上，如图10所示。而co(oh)2@cds-50-erf的抗沉降性能略逊于co(oh)2@cds-100-erf，在30天的测试后其抗沉降率约为85％。另外从样品抗沉降率随时间变化曲线上可以看出，两种erf的快速沉降时间为测试前5天，之后的时间内样品基本处于稳定的状态，抗沉降率随时间减小趋势变得十分缓慢。
[0078]
测试表征了co(oh)2@cds-100-erf的热稳定性和安全性。热稳定性表征是在20℃至100℃的温度范围内，测试了co(oh)2@cds-100-erf在强度为5kv/mm的外加电场下的屈服强度，如图11(a)所示。co(oh)2@cds-100-erf在不同温度下的屈服强度基本稳定在2kpa，并没有随着测试温度的升高而出现减小的情况。与含有极性分子的erf在高温测试时屈服强度出现明显波动的现象相比，co(oh)2@cds-100-erf的热稳定性更加优异。这主要是由于极性分子型erf颗粒表面的极性分子会随着温度升高而解吸或分解，从而引起电流变效应的衰弱，宏观性能表现为屈服强度波动。通过热重分析数据可知，co(oh)2@cds颗粒中替代极性分子的cds受温度影响较小，因此co(oh)2@cds-100-erf具有优异的热稳定性。
[0079]
此外，co(oh)2@cds耦合颗粒不但具有优异的热稳定性，其在直流场下的电流密度也极低，具有较低的击穿风险。如图11(b)所示，不同分散相质量分数的co(oh)2@cds-100-erf的电流密度随外加直流电场强度的升高而增大，并且在相同电场条件下，其电流密度随着erf质量分数的增加而增加。但即使6kv/mm的直流电场下，质量分数为40％的co(oh)2@
cds-100-erf的电流密度也仅为0.33μa/cm2。因此，co(oh)2@cds-100-erf具有较好的安全性。
[0080]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。