电流变

电流变悬浮液体

摘要：

这篇文章的目的是综述在外加电场作用下流变性能能够突然改变的悬浮电流变液。主要给出了最近报道的电流变液体背后的物理背景。如何设计一种高性能的电流变液液体的标准和电流变悬浮液体如何呈现电流变效果的机理解释是一致的。我们从一个简短的有历史意义的介绍开始，电流变液材料紧随着阳极电流变液性能、阴极电流变液性能和光致电流变液性能而讨论的。随后，讨论了能大幅度影响电流变液特性的物性参数，评估了在电场作用下电流变液悬浮液体所呈现的物理过程。总结了以前提出的电流变液作用的机制。展望了电流变液材料的发展和电流变液液体的应用。

关键词：胶态悬浮提；电流变性能；电流变材料；电介质（非传导性）；导电性1.引言

电流变液悬浮液体是由一种绝缘的液体介质组成的，具体的说，这种绝缘液体介质不是半导体微粒材料就是半导体液体材料（通常是液晶材料）。一种电流变悬浮液体的流变学性能（粘度、屈服应力，剪切模量，等）在每毫米几个千伏特的外加电场下能有一个几个数量级的可逆的转变。由于它的机械性能能在一个宽量程内（几乎从纯净的液体到固体）很容易的被控制，电流变液液体在广泛的工业领域能被用作带电体和机械式接口。例如，他能够用在汽车工业的离合器，刹车及阻尼装置的领域。它也能用在机械臂的连接和传递中。同样能用于军事目的。自从1949年，电流变液性能第一次被温斯洛[1]提出，不论是在学术界还是在工业领域它的潜在应用价值刺激了大量的感兴趣者。有大量的关于电流变液性能机理的著作和工业可适用的电流变液装置的设计。

几个关于电流变液体和电流变机制的综述已经发表[2-8]，汇总了1996年以前电流变研究成果。最近已经有许多新的发现，一些能完全的改变以前在电流变机理方面的观念。总的来说，结合以前的成果和现在的发现，对更进一步的电流变研究和应用有重要作用。

这篇文章的目的是从材料科学的观点到物理机制的发现给电流变液领域一个完整的评论。为了达到目的，一个简短的具有历史意义的以前对在外电场作用下的液体或绝缘悬浮体的研究被呈现。首先将描述那些已经被用作电流变液体的材料。其次将介绍电流变液相关效应包括阳极、阴极和光致效应。再次，给出概括在电流变液中其主要作用的物性参数以及出现在电流变液体的物理过程。按年代顺序讨论了不同年代基于实验事实提出的电流变机理并且提供了不同模型（或者理论）之间的比较。最后，概括了电流变液在不同的工业领域的可行性应用以及相关的技术问题。

2.回答电流变液的历史根源

在外电场作用下液体或分散系统的结构和流变性质发生改变被称为电流变效应。这种液体或分散体系通常被称为电流变液体。19世纪末，发现随着电场下应用一些纯净绝缘液体表观粘度增加[9]。在那个时期这种现象被叫作电黏性效应而不是电流变效应。安德雷的和他的工友们对电黏性效应进行综合研究，提出了两种因素来解释粘度的增加。沿着施加电场方向极化分子重新定向和靠近点击表面的离子聚合体被认为负责粘度的增加。按照这种理论，非极性液体不应该表现出电黏性效应。

电黏性效应被报道以后，在电场作用下研究了许多其他的溶液系统。许多复杂的体系，例如研究了电解质溶液和纯净液体系统具体到微粒子。发现电解质溶液的电黏性效应要比纯净液体中所观察到的作用强的多。翁萨格[14]用“离子云”观念来理解电解质溶液中观察到的黏度增加。在电场作用下离子云的变形将在剪切场方向产生更多的阻力，因此导致表观黏度增加。在稀释的悬浮液中，表观黏度将随着微粒材料的粒子体积分数和表面电荷而增加。Smoluchowski给出了一个表观黏度方程式[15]。η代表悬浮体的表观黏度，η连续相（纯净液体）的黏度，φ为粒子的体积分数，σ为悬浮体的电导率，m

r为粒子的半径，ζ为粒子的电动电势，εm为连续相的介电常数。方程（1）是在一下假设下得到的：（a）悬浮液体足够的稀（通常粒子的体积分数小于百分之十）；（b）双电子层间没有重叠。这通常被称为初级的电黏性效应，起源于在一个电场和剪切场的作用下双电子层的变形。如果悬浮体是集中的，这些双电子层就会互相重叠，且带电体的排斥力会变得显著。方程（1）不适用于一些系统。在电场作用下黏性的增加同样会发生在浓度比较高的悬浮体中；然而这种效应被称为二次电黏性效应，由双电子层的重叠造成。这篇文章还讨论第三类电黏性效应，也就是涉及包含聚合体微粒材料的悬浮体的黏性的增加。康韦和迪克洛做了关于电黏性效应的细节讨论[16]。一般来说电黏性效应导致黏性的增加并不是很大，通常在两个因子之内。他不能和能使流变性能增加10000倍的电流变效应相提并论。然而在以前的一些研究中，电黏滞效应电流变效应，这引起了一些混淆。

早在1939年，温斯洛就开始研究由固体的半导体颗粒分散于低黏度并且高绝缘的油中组成的悬浮体系中电场导致黏性增加实验。第一次在1947年获得专利[17]接着1949年结果发表在在应用物理杂志上[1]。他发现在电场强度为3千伏每毫米的作用下能获得几百克每平方厘米剪切力。他所用的固体微粒材料包括淀粉、面粉、明胶和石灰岩。所用的液体包括变压器油、矿物油及硅油。他得到在电场作用下在两个电极之间形成了有很高强度的纤维结构的桥接，导致了悬浮体的黏度增加了几个量级。他所观察到的电场诱导效应比所谓的电黏性效应要强的多，并且是一个全新的研究领域。这也就是人们有时也把电流变效应称为温斯洛效应（在一些德国工厂，电流变效应也被称作奥珀曼效应，因为奥珀曼被认为是这个领域的开拓者）的原因。温斯洛被认为是先驱，他第一次发现在电流变悬浮液体中形成的纤维链型结构并且把电流变效应归功于这种纤维结构。这种结构是电流变液体区别于其它非电流变液体的典型结构。图1展示了在电场施加前后电流变液体微观结构的改变。施加电场前悬浮的微粒随机分布，施加电场后微粒朝着施加电场方向分布。微观状态从无序到有序的分布决定了电流变效应的响应时间。除了这个里程碑式的发现，温斯洛还提出了一些可行的电流变装置，比如离合器、刹车和阀门。然而，在那个年代，他的发现并没有引起许多重视。知道1960年几乎没有有关电流变的论文。1962年初，Deneiga[18]研究了电场是如何改变悬浮体的流变性能的。1967年克拉斯[19、20]做了大量的研究，非传导性第一次用于描绘电流变性能，且微粒的极化也和电流变效应有关。提出双电层弯曲现象来解释电流变效应。1970年初，Uejima[21]更进一步的引申了双电层模型，随后在1984年Deinega[22]提出基于双电层模型的质子极化模型。由于双电层形成过程中水非常重要，Stangroom[23，24]把双电层模型扩展到水被认为是电流变性能的必要材料这种程度。