[发明专利]一种铬离子掺杂铁酸铋纳米颗粒电流变液材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电流变液材料及其制备方法，特别涉及一种铬离子掺杂铁酸铋纳米颗粒电流变液材料及其制备方法。

背景技术：电流变液是一种重要的智能材料，它通常是由高介电常数、低电导率的固体颗粒分散于低介电常数的绝缘液体中形成的悬浮体系，该体系可在电场作用下瞬间实现液-固转化，且这种转化具有快速、可逆的特点，同时它具有受控变化的品质，其屈服应力、弹性模量随外加电场的变化而变化。电流变液在很多领域如：减震器、离合器、阻尼器、驱动器、无级调速等装置中具有广泛的潜在的应用价值。通常情况下，固体粒子的性质决定电流变液性能的好坏，是电流变液的关键。因此研究具有高电流变效应的分散相材料成为电流变领域的关键问题。近年来的相关研究集中在具有高电流变性能的分散相的制备方面，并且取得了一定的成果。

多铁性材料作为新兴的一类材料，由于其特有的集铁电性、铁磁性和铁弹性引起了越来越多人的关注，掀起了多铁性研究的热潮。多铁性材料不仅有着单一铁电材料和铁磁材料的性能和应用，而且铁电-铁磁性的交叉耦合，使得利用电场改变磁化与利用磁场改变电极化成为可能。而铁酸铋是少数几种在室温下同时具有铁电铁磁的新型多铁性材料。同时铁酸铋的介电常数较高，电导率低，在电流变领域，极少的被应用，因此将铁酸铋用来做电流变液材料具有独创性。

发明内容：本发明目的是提供一种新型的无机电流变液，该电流变液材料的分散相为铬离子掺杂铁酸铋颗粒，由该颗粒与甲基硅油配制得电流变液具有强的电流变效应，而且制备工艺简单，成本低，反应过程容易控制，对设备无特殊要求。

微米颗粒电流变液的应用阻碍来自于其较差的抗沉降性能；而纳米颗粒电流变液由于其较高的静态力学值和良好的抗沉降性能受到了越来越多的关注。本发明的目的提供一种具有铬离子掺杂的多铁性铁酸铋纳米结构材料，可以同时兼有离子掺杂和纳米颗粒的双重优点，配制的电流变液具有较高剪切应力值，优良的抗沉淀性能。

制备的铬离子掺杂铁酸铋纳米颗粒是采用改性的溶胶凝胶法来制备。制备工艺简单，反应温度低，能耗小，简单易行，产物形貌独特可控性强，产物不仅具有铁酸铋的多铁性，而且通过铬离子掺杂改善了铁酸铋的介电和电导特性，使之具备电流变之智能响应性，从而使该材料的综合性能得到优化。

本发明的目的可以通过以下途径来实现。

本发明铬离子掺杂铁酸铋纳米颗粒是采用改性的溶胶凝胶法来制备，其制备过程包括如下几个步骤：

（1）选用硝酸铁、硝酸铋、硝酸铬、硝酸为原料，柠檬酸为胶凝剂；

（2）将0.02molFe(NO₃)₃·9H₂O，0.02mol Bi(NO₃)₃·5H₂O和一定量的Cr(NO₃)₃·9H₂O加入到200mL去离子水中，再加入20mL浓HNO₃，搅拌1h，再加入10.0g柠檬酸，加热搅拌，溶液颜色由无色透明逐渐变为黄色，最后变为红褐色；

（3）待溶液剩余不足50mL时，将其放入烘箱中，烘干至黏稠状；将黏稠物质移入坩埚中，用马弗炉550℃煅烧2h后取出，用研钵研磨成粉状得到铬掺杂铁酸铋纳米颗粒的样品；

（4）取0.5g铬掺杂铁酸铋纳米颗粒样品置于1mL硅油中研磨均匀后，得到铬掺杂铁酸铋纳米颗粒电流变液。

与现有技术相比，本发明具有以下技术优点：

1、本发明制备工艺简单，产物不仅具有铁酸铋的多铁性，而且通过铬离子掺杂改善了铁酸铋的介电和电导特性，使之具备电流变之智能响应性，改善了材料的性能，从而使该材料的综合性能得到优化。

2、本发明复合颗粒所用原料价格低廉、制备工艺简单，产品无毒无害，易于实现工业化生产和广泛应用。

附图说明：

图1 纯铁酸铋组成的电流变液在不同电场强度下的流变性能曲线（剪切应力与剪切速率关系）

图2 纯铁酸铋和一系列铬掺杂铁酸铋纳米复合粒子的XRD图谱。

图3 纯铁酸铋的扫描电镜照片。

图4 纯铁酸铋的EDS图谱。

图5 3%摩尔比铬掺杂铁酸铋组成的电流变液在不同电场强度下的流变性能曲线（剪切应力与剪切速率关系）。

图6 5%摩尔比铬掺杂铁酸铋组成的电流变液在不同电场强度下的流变性能曲线（剪切应力与剪切速率关系）。

图7 5%摩尔比铬掺杂铁酸铋复合粒子的扫描电镜照片。