CN105018206B - 流体计时器用巨电流变液流体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种流体计时器用巨电流变液流体，包括基液及均匀分散在基液中的复合微粒，其特征在于所述的复合微粒以无定形纳米二氧化钛为核芯，并外层通过修饰层包覆，并且，所述复合微粒的体积浓度为3～35％。本发明还公开了该巨电流变流流体的制备方法。本发明涉及的巨电流变液流体黏度范围在：500～1000mm2/s，可以应用于引信的流体计时器中。
Description
技术领域
本发明涉及一种巨电流变液流体，该巨电流变液流体应用于引信中的计时器中。本发明还公开了该巨电流变液流体制备方法。
背景技术
巨电流变液是由可极化微粒分散于基液中形成的一种悬浮液，当对其施加电场时，其粘度、剪切强度瞬间变化，大小连续可调，甚至达到几个数量级，由低粘度流体转换到高粘度流体，直至固体。当电场撤去以后，它又可以在毫秒时间内恢复到流体状态，这种介于液体和固体的属性间发生可控、可逆、连续的转变,可以通过电场实现力矩的可控传递和机构的在线无级、可逆控制,因而能代替传统的电--机械转换元器件,在机电一体化的自适应控制机构工业领域有着广泛的应用前景。特别在国防建设、交通工具、液压设备、机械制造业、传感器技术等领域具有更为广阔的应用基础和应用需求。
然而一直以来巨电流变液的抗剪切强度较低，流体流动模型不清，严重阻碍了巨电流变液的发展。2003年一种复合纳米结构巨电流变液的发现，使其剪切强度超过130kPa，是新近发展起来的自适应智能材料之一，理论上能满足工业、工程的实际需求，特别适合应用于制备各种阻尼装置，这一突破性进展向人们展示出巨电流变液的巨大应用价值，在国内外激发起从巨电流变液材料到电流变阻尼器等结构研究的热潮。
但是，目前，电流变液存在的问题是微粒的分散性差，电流变液稳定性差，电流变液的理论模型众多，机理不清，难于满足实际需求。
计时器是引信中不可或缺的关键零部件，它的性能在某种程度上直接决定了引信的技术参数。
国内引信一直采用火药式和无返回力矩钟表式远解隔离机构，这两种形式的远解机构的优、缺点是：火药式结构简单，但火药燃烧时间受温度环境影响较大，火药易受潮且由于采用膛内点火给引信带来了不安全因素，钟表式走时准确，动作可靠但结构复杂零件数量较多，精度要求较高，工艺性差。
国内1985年开发的准流体引信.成功地吸取了火药式和无返回力矩钟表式远解隔离机构的优点，弥补了其不足之处，但瞎火问题比较突出。这主要是由于机构复杂、在惯性力作用下机构的参数变化不清等造成。如ML-13A引信，准流体保险机构由回转体座、回转体、离心子、高L子簧、活塞缸、活塞、微型玻璃珠及保险套筒等许多主要零件组成。在冲击载荷作用下瞬态冲击中大振幅的循环数和高应力，可能使引信损坏或失效。在强载荷作用下，惯性力的作用就不能被忽略。所以引信在火炮发射时的动态特性要把惯性力考虑在一起。因而就可以在短时间内承受比静态极限载荷高得多的动载。当活塞杆最大应力超过了其最大屈服应力，活塞杆产生塑性变形，活塞杆端部最大变形量超过了与之配合的活塞缸内孔之间间隙，活塞杆会被卡住，除保险，导致引信瞎火。而采用巨电流变体计时器则可完全克服上述缺点。但巨电流变液流体的黏度却不容易控制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述的技术现状而提供一种黏度范围在：500～1000mm2/s可应用于计时器的巨电流变液流体。
本发明所要解决的又一个技术问题是提供一种黏度范围在：500～1000mm2/s可应用于计时器的巨电流变液流体的制备方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种流体计时器用巨电流变液流体，包括基液及均匀分散在基液中的复合微粒，其特征在于所述的复合微粒以无定形纳米二氧化钛为核芯，并外层通过修饰层包覆，并且，所述复合微粒的体积浓度为3～35％，所述的基液包括如下组分及其体积配比：
作为优选，所述的修饰层采用尿素、丙三醇、正丁醇、三乙醇胺、十二烷基苯磺酸钠及硬脂酸中的至少一种，或者所述的修饰层通过锶变质、石墨烯变质或者锶变质和石墨烯复合变质。
进一步，所述的基液中添加有表面活性剂，该表面活性剂添加量为基液总重量的0.01～0.1％，加入表面活性剂来复配电流变液防止微粒团聚
作为优选，所述的表面活性剂为Tween-80、溴代十六烷基三甲胺、聚乙烯吡硌烷酮中的至少一种。
一种流体计时器用巨电流变液流体的制备方法，将复合微粒与基液充分混合，其特征在于所述的复合微粒以无定形纳米二氧化钛为核芯，并外层通过修饰层包覆，并且，所述复合微粒的体积浓度为3～35％，所述的基液包括如下组分及其体积配比：
复合微粒可以采用如下之一方法获得：
第一种，用丙三醇对钛酸四丁酯进行醇解，分别配制丙三醇及钛酸四丁酯的乙醇溶液，其中，丙三醇与钛酸四丁酯的摩尔比为2.5～3：1，在电磁搅拌下将两种溶液混合，然后将表面活性剂加入混合溶液中并搅拌得到前驱液，将该前驱液移入到反应釜中在55～65℃水热15～20h，或在室温下直接反应，将制得的产物抽滤后用乙醇清洗,再经55～65℃干燥后研磨即获得表面活性剂改性的丙三醇修饰的复合微粒。
第二种，①向无定形纳米二氧化钛中加入体积比为1：1.2～1.8的钛酸四丁酯的乙醇溶液，其中无定形纳米二氧化钛与钛酸四丁酯的摩尔比为4～10：1，搅拌均匀，分离沉淀得到微粒B；
②向微粒B中加入含有去离子水和极性分子的乙醇混合溶液，其中，去离子水：极性分子：无水乙醇的体积比为1：3～5：7～13，三乙醇胺与微粒B的重量比为1：3～5，均匀搅拌至反应完全沉淀不再产生，分离出微粒C；
或者将微粒B加入到氯化锶或氟化锶的溶液中，反应得到微粒D,向微粒D中加入含有去离子水和极性分子的乙醇混合溶液，其中，去离子水：极性分子：无水乙醇的体积比为1：3～5：7～13，三乙醇胺与微粒B的重量比为1：3～5，均匀搅拌至反应完全沉淀不再产生，分离出微粒E；
3)将微粒C或E在105～120℃下进行热处理，得到复合微粒。
第三种，选用硬脂酸钛酸四丁酯进行醇解，硬脂酸的添加量不超过总重的10％，将制得的前驱液移入到反应釜中，在55～65℃水中加热15～20h，将制得的产物抽滤用乙醇清洗一次，55～65℃干燥后研磨，获得硬脂酸修饰的符合修饰微粒。
第四种，向无定形纳米二氧化钛中加入钛酸四丁酯的乙醇溶液，其中，钛酸四丁酯与无水乙醇体积比为1：0.5～2，超声搅拌并分离微粒；然后加入含有去离子水、极性分子、表面改性剂的无水乙醇混合溶液，其中，去离子水：极性分子：无水乙醇的体积比为1：3～5：7～13，通过调节掺杂添加剂与钛的质量比例控制添加剂加入量，超声搅拌并分离微粒，将微粒进行烘干，再将微粒放入NaOH的水溶液中重复上述包覆过程两次，获得均匀包覆的掺质二氧化钛结构的微粒；
所述的极性分子为尿素或三乙醇胺，所述极性分子与复合微粒中Ti的量之比为：5％～45at％。
第五种，①将石墨烯分散于分析纯的乙醇中，石墨与乙醇摩尔比为0～0.003:1，用超声波搅拌、振荡25～35分钟，待石墨烯完全均匀分散后，将钛酸四丁酯分散于石墨烯乙醇溶液中，石墨烯与钛酸四丁酯的重量比0～0.035：1，石墨烯与钛酸四丁酯复合乙醇溶液；
②将丙三醇分散于分析纯的乙醇中超声波搅拌振荡25～35分钟，丙三醇与乙醇摩尔比为1:2～6，得到搅拌均匀的丙三醇乙醇溶液。
③向上述两种溶液中加入含有去离子水和极性分子的乙醇混合溶液，其中，去离子水：极性分子：无水乙醇的体积比为1：3～5：7～13。
④在超声搅拌条件下将上述两种溶液混合，待反应完全后将所得的沉淀物通过抽滤，在80℃的干燥箱中干燥80小时；将得到的微粒在研钵中研磨后即得到氧化石墨烯与丙三醇复合微粒；氧化石墨烯的修饰掺杂量分别为钛酸四丁酯和丙三醇总重的15～25％，将得到的复合微粒在105～120℃真空环境下干燥40～80mins；
所述的极性分子为尿素或三乙醇胺。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明设计采用单一纳米微粒、极性分子修饰的适合做流体计时器的电流变体，采用无定形单一纳米二氧化钛为核心，外层采用多功能层包覆、极性分子联合修饰、稀土掺杂改性的微粒，在复合基液中合成电流变液，按规定要求选择合理黏度，黏度范围在：500～1000mm2/s。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
基液：
复合微粒以无定形纳米二氧化钛为核芯，并外层通过丙三醇包覆，并且，复合微粒的体积浓度为18％，复合微粒具体通过如下步骤制得：
用丙三醇对钛酸四丁酯进行醇解，分别配制丙三醇及钛酸四丁酯的乙醇溶液，其中，丙三醇与钛酸四丁酯的摩尔比为2.5：1，在电磁搅拌下将两种溶液混合，然后将表面活性剂加入混合溶液中并搅拌得到前驱液，将该前驱液移入到反应釜中在60℃水热16h，或在室温下直接反应，将制得的产物抽滤后用乙醇清洗,再经60℃干燥后研磨即获得表面活性剂改性的丙三醇修饰的复合微粒。
将复合微粒与基液充分混合得到能应用于流体计时器的巨电流变液，巨电流变液的参数：无定形的二氧化钛(62nm)，黏度500mm2/s，365天性能变化率小于0.05％，稳定性达到稳定性99.9％以上：
实施例2
基液：
复合微粒以无定形的纳米二氧化钛(42nm)为核心，通过修饰丙三醇、锶变质，三乙醇胺包覆，复合微粒的体积浓度为25％，复合微粒具体通过如下步骤制得：
将复合微粒与基液充分混合得到能应用于流体计时器的巨电流变液，巨电流变液的参数：无定形的纳米二氧化钛(42nm)，性能达到黏度600mm2/s，365天性能变化率小于0.05％，稳定性99.9％以上.
实施例3
基液：
复合微粒以无定形的纳米二氧化钛(40nm)为核心，通过修饰丙三醇、石墨烯变质，三乙醇胺包覆，复合微粒的体积浓度为25％，复合微粒具体通过如下步骤制得：
①将石墨烯分散于分析纯的乙醇中，石墨与乙醇摩尔比为0.003:1用超声波搅拌、振荡25～35分钟，待石墨烯完全均匀分散后，将钛酸四丁酯分散于石墨烯乙醇溶液中，石墨烯与钛酸四丁酯的重量比0.035：1，石墨烯与钛酸四丁酯复合乙醇溶液；
②将丙三醇分散于分析纯的乙醇中超声波搅拌振荡25～35分钟，得到搅拌均匀的丙三醇乙醇溶液。
③向上述两种溶液中加入含有去离子水和三乙醇胺的乙醇混合溶液，其中，去离子水：三乙醇胺：无水乙醇的体积比为1：4：9。
④在超声搅拌条件下将上述两种溶液混合，待反应完全后将所得的沉淀物通过抽滤，在80℃的干燥箱中干燥80小时；将得到的微粒在研钵中研磨后即得到氧化石墨烯与丙三醇复合微粒；氧化石墨烯的修饰掺杂量分别为钛酸四丁酯和丙三醇总重的18％，将得到的复合微粒在110℃真空环境下干燥50mins；
将复合微粒与基液充分混合得到能应用于流体计时器的巨电流变液，巨电流变液的参数：无定形的纳米二氧化钛(42nm)，性能达到黏度：800mm2/s，365天性能变化率小于0.05％，稳定性99.9％以上。
Claims (8)
1.一种流体计时器用巨电流变液流体，包括基液及均匀分散在基液中的复合微粒，其特征在于所述的复合微粒以无定形纳米二氧化钛为核芯，并外层通过修饰层包覆，并且，所述复合微粒的体积浓度为3～35％，所述的基液包括如下组分及其体积配比：
所述的基液中添加有表面活性剂，该表面活性剂添加量为基液总重量的0.01～0.1％；
所述的表面活性剂为Tween-80、溴代十六烷基三甲胺、聚乙烯吡硌烷酮中的至少一种；
所述巨电流变液流体的黏度范围在：500～1000mm2/s。
2.根据权利要求1所述的流体计时器用巨电流变液流体，其特征在于所述的修饰层采用尿素、丙三醇、正丁醇、三乙醇胺、十二烷基苯磺酸钠及硬脂酸中的至少一种，或者所述的修饰层通过锶变质、石墨烯变质或者锶变质和石墨烯复合变质。
3.一种流体计时器用巨电流变液流体的制备方法，将复合微粒与基液充分混合，其特征在于所述的复合微粒以无定形纳米二氧化钛为核芯，并外层通过修饰层包覆，并且，所述复合微粒的体积浓度为3～35％，所述的基液包括如下组分及其体积配比：
所述的基液中添加有表面活性剂，该表面活性剂添加量为基液总重量的0.01～0.1％；
所述的表面活性剂为Tween-80、溴代十六烷基三甲胺、聚乙烯吡硌烷酮中的至少 一种；
所述巨电流变液流体的黏度范围在：500～1000mm2/s。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述复合微粒通过如下步骤制得：
用丙三醇对钛酸四丁酯进行醇解，分别配制丙三醇及钛酸四丁酯的乙醇溶液，其中，丙三醇与钛酸四丁酯的摩尔比为2.5～3：1，在电磁搅拌下将两种溶液混合，然后将表面活性剂加入混合溶液中并搅拌得到前驱液，将该前驱液移入到反应釜中在55～65℃水热15～20h，或在室温下直接反应，将制得的产物抽滤后用乙醇清洗,再经55～65℃干燥后研磨即获得表面活性剂改性的丙三醇修饰的复合微粒。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述复合微粒通过如下步骤制得：
①向无定形纳米二氧化钛中加入体积比为1：1.2～1.8的钛酸四丁酯的乙醇溶液，其中无定形纳米二氧化钛与钛酸四丁酯的摩尔比为4～10：1，搅拌均匀，分离沉淀得到微粒B；
②向微粒B中加入含有去离子水和极性分子的乙醇混合溶液，其中，去离子水：极性分子：无水乙醇的体积比为1：3～5：7～13，三乙醇胺与微粒B的重量比为1：3～5，均匀搅拌至反应完全沉淀不再产生，分离出微粒C；
或者将微粒B加入到氯化锶或氟化锶的溶液中，反应得到微粒D,向微粒D中加入含有去离子水和极性分子的乙醇混合溶液，其中，去离子水：极性分子：无水乙醇的体积比为1：3～5：7～13，三乙醇胺与微粒B的重量比为1：3～5，均匀搅拌至反应完全沉淀不再产生，分离出微粒E；
3)将微粒C或E在110～125℃下进行热处理，得到复合微粒。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述复合微粒通过如下步骤制得：
选用硬脂酸钛酸四丁酯进行醇解，硬脂酸的添加量不超过总重的10％，将制得的前驱液移入到反应釜中，在55～65℃水中加热15～20h，将制得的产物抽滤用乙醇清洗一次，55～65℃干燥后研磨，获得硬脂酸修饰的符合修饰微粒。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述复合微粒通过如下步骤制得：
向无定形纳米二氧化钛中加入钛酸四丁酯的乙醇溶液，其中，钛酸四丁酯与无水乙醇体积比为0.5～1.5：1，超声搅拌并分离微粒；然后加入含有去离子水、极性分子、表面改性剂的无水乙醇混合溶液，其中，去离子水：极性分子：无水乙醇的体积比为1：3～5：7～13，通过调节掺杂添加剂与钛的质量比例控制添加剂加入量，超声搅拌并分离微粒，将微粒进行烘干，再将微粒放入NaOH的水溶液中重复上述包覆过程两次，获得均匀包覆的掺质二氧化钛结构的微粒；
所述的极性分子为尿素或三乙醇胺，所述极性分子与复合微粒中Ti的量之比为：5％～45at％。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述复合微粒通过如下步骤制得：
①将石墨烯分散于分析纯的乙醇中，石墨与乙醇摩尔比为0～0.003:1，用超声波搅拌、振荡25～35分钟，待石墨烯完全均匀分散后，将钛酸四丁酯分散于石墨烯乙醇溶液中，石墨烯与钛酸四丁酯的重量比0～0.035：1，石墨烯与钛酸四丁酯复合乙醇溶液；
②将丙三醇分散于分析纯的乙醇中超声波搅拌振荡25～35分钟，丙三醇与乙醇摩尔比为1:2～6，得到搅拌均匀的丙三醇乙醇溶液；
③向上述两种溶液中加入含有去离子水和极性分子的乙醇混合溶液，其中，去离子水：极性分子：无水乙醇的体积比为1：3～5：7～13；
④在超声搅拌条件下将上述两种溶液混合，待反应完全后将所得的沉淀物通过抽滤，在80℃的干燥箱中干燥80小时；将得到的微粒在研钵中研磨后即得到氧化石墨烯与丙三醇复合微粒；氧化石墨烯的修饰掺杂量分别为钛酸四丁酯和丙三醇总重的15～25％，将得到的复合微粒在105～120℃真空环境下干燥40～80mins；
所述的极性分子为尿素或三乙醇胺。
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