电流变液性能及制备

电流变液性能及制备

韦佳佳, 李酽，刘刚

中国民用航空学院理学院，天津 300300

liyan01898@

摘要：本文介绍了电流变液力学、光学性能，以及电流变效应的四种理论模型，特别对电流变液的制备技术进行了详细的综述与讨论。指出了电流

变液研究亟待解决的问题及研究热点。

关键词：电流变液；制备；性能；机理

电流变液是一类均匀的悬浮液体系。基于其在电场中流变性能会发生显著变化这种优良的机电耦合性能，可作为便于控制、连续可调的阻尼介质，广泛用于民用航空、机械工程、控制工程和机器人等领域。因其特殊的光学特性，可以用于各种光学器件及光学控制系统。本文介绍了电流变液的性能、电流变机理，重点对电流变液的制备进行了综述与讨论。

1电流变液的性能与机理

1.1 电流变液的性能

1.1.1力学性能

静屈服应力（τS）是电流变液在流动前所能承受的最大静态剪切应力，它随电场强度增大而急剧增大，且重量比越大，增大得越快。当电场强度达到某一临界值时趋于饱和。实验表明[1]，在较低电场强度下，τS∝E2；反之，τS∝E。添加剂是影响τS的一个重要因素。在一定范围内使用较高介电常数和较低漏电流的添加剂可以有效提高电流变液的性能[2]。无添加剂时，电流变液的τS与E呈近似线形关系，而有添加剂时呈非线形关系，可近似用二次多项式进行拟合[1]。电流变液开始流动后，维持使其继续变形的是一个比静态屈服应力小的力——动态屈服应力（τl），对于同一体积比的电流变液，动屈服应力较静态屈服应力约小25%左右[ 3]。τl随重量比或电场强度而增大。目前对于电流变液动态特性的研究只限于低电场强度[4]。茅海荣等[5]对电流变液准静态挤压过程中的力学行为进行了研究，发现在外加电场作用下，电流变液有一定的压缩应力，而且随电压的升高和压缩量的增大而增强。电流变液的拉伸可分为三个阶段[6]：第一阶段，拉伸应力随应变的微小变化呈线形急剧增加，应变值小于0.05；第二阶段，拉伸应力增加减缓，拉伸应变增加较快，并很快达到一个最大值，称为电流变液的屈服阶段；第三阶段，拉伸应变继续增加，拉伸应力的增加也缓慢降低到零。称为屈服后电流变液的粘连阶段。各力学特征量之间的关系为[6]：压应力约为相同电场作用下静态屈服应力的10倍，是拉应力的2～3倍，拉应力是相同电场作用下静态屈服应力的3～4倍。应用上述力学性能可开发出各种工程应用器件。例如利用电流变液屈服应力特性制造电流变液光栅、艺术印刷中的ER油滴等。基于电流变液的压缩效应，则可制造减震器件，有研究者将电流变阻尼绞应用于机翼操纵面[7]，并进行了风洞实验，结果证明通过

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控制增加电流变液阻尼绞的阻尼可提高机翼操纵面的颤振临界速度V F达到颤振目的。

1.1.2光学特性

未加电场时，电流变液内固体颗粒分布杂乱无章，因此，在光入射时，经颗粒多次吸收和散射，透光率不高。施加电场后，在电场作用下，自由态固体颗粒沿电场方向首尾相接成链，并与两极板相连接，链与链之间的区域成为光的主要通道，使得透光率上升。在一定的电场作用下，透光率开始时迅速增加，继而趋于稳定值。电场强度越大，透光率增加得越快，稳定值也越大；而在一定的场强下，体积比越大，透光率增加得越快。应用电流变液的这种光学特性可以用来制造可调节光开关、红外光学材料、光栅常数可调节光栅以及光电流计等仪器。

1.2 电流变效应的机理

提高电流变液性能是电流变液研究的核心问题，而电流变机理研究对人们理解电流变效应以及提高电流变液性能、改善电流变液体系具有重要的指导作用。对于电流变机理，普遍认同的事实是由于电场作用，液体的分散颗粒间的相互作用使得液体的宏观性质发生变化。据此建立起的多种模型是侧重在电场下电流变液中的介电颗粒的相互作用上的。

1.2.1双电层理论（Double Layer Theory）

对于固液两相体系组成的电流变液，固体粒子与液体接触时，固体表面的带电现象和体系的热运动对固体粒子表面附近的液体介质中的正负离子产生相反趋势的综合作用，使得过剩的异号离子以扩散形式分散在带电粒子表面的液体介质中，形成双电层。Klass和Martinek 认为电流变体的响应时间极短,不足以使微粒排列成纤维状结构，提出了双电层理论模型，也称界面极化理论。该理论认为在无电场作用时,分散相粒子由于电离或离子吸附等原因使其表面带有电荷，这些电荷与周围介质中的异号电荷在静电作用下相互吸引，构成双电层。在电场作用下，带电粒子向某一电极运动，而其吸附的异号电荷则向相反的方向运动。双电层发生变形，产生非对称分布，导致非平衡电荷的分布，使电流变液在受到垂直于电场方向的剪切时要消耗更多的能量，从而产生ER效应。这一理论的主要缺点是没有说明为什么双层的相互作用和交叠导致电流变体流变性质几个数量级的突变。

1.2.2“水桥”理论（Water Bridge Theory）

早期的电流变体的分散相中都含有水, 水是引发电流变效应不可缺少的条件，水的含量对于电流变效应有着显著的影响。Stangroom等人提出了“水桥”理论模型。在由疏水的基础液和亲水且多孔的颗粒组成的电流变液中，固体颗粒的孔道中含有可移动的离子，并吸附、蓄留有一定量的水。离子通过水的溶解，变得更易发生运动。在电场作用下，离子带动水向电极上带相反电荷的方向运动，这样，水聚集在离子端部，并与附近粒子相连，可见水在离子与粒子间的连接中起了"桥"的作用，使固体粒子连接成链，电流变液宏观上呈凝胶态；换言之，“水桥”的表面力作用导致了电流变效应。撤去电场后，水分子同离子重新进入粒子孔道内，“水桥”消失，悬浮液恢复流动性。Stangroom用该机理定性地解释了水的含量、固体微粒的多孔性和电子结构等对电流变效应的影响。但该理论对于后来发展起来的疏水性粒子的电流变体系ER效应的解释则存在一定困难。

1.2.3粒子极化理论（Particle Polarization Theory）

这种理论认为产生电流变效应的主要原因是电流中固体颗粒的极化。主要内容为：在高电压作用下,电流变体中的粒子由于极化发生电荷分离,正电荷向靠近负电极的一端移动,负

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