8 传感器敏感材料电流变+形状记忆合金

3.不均匀介质理论——对现有理论综合考虑后的见解 当平行板极板间电介质含有介电系数悬浮微粒时，出现 极板上的面电荷密度的不均匀性分布，从而引起极板间电场 的畸变，即除去垂直于极板的电场力F外，尚存在阻碍极板 旋转运动的剪切应力，即出现电流变现象。 此理论可以解释即使不存在粒子链结构，也可出现电流 变效应。 但该理论并未能对电流变特性进一步作出定量的描述。
v Lord公司的流动夹具装置是根据固定电极结构进行设计 的，如下图所示。该装置的工作状态为一活塞结构，装置由 一速度控制器调控可变速电机的转速，再通过齿轮减速箱带 动导杆，并随之使滑块移动，滑块带动活塞使ERF材料在套 筒内受到挤压。工作电压则施加于套筒两侧，由此便可测得 材料的动屈服应力、响应时间等参数与外加电场间的关系。
当电场拆除后，又瞬即恢复原有液态的流动特性，响应时 间为毫秒至微秒数量级。当ERF呈现液体状态时，沿电极 方向存在出现剪切形变产生的阻力， 称为剪切应力；当ERF 呈现固体状态时，所 产生的阻尼称为屈服 应力。在不同电场作 用下，粒子分散型ERF 的结构变化如右图所示：
3.4.3 电流变体的结构及组成
该理论提出了悬浮粒子间相互作用的一种新形式，即通 过分散介质粒子周围带相反电荷离子层与相邻粒子胶核的相 互作用，而将微粒自身的极化效应放在次要地位，这样，微 粒表面特性——畸变双电层的交叠才是ERF效应的关键因素。 这时离子可在层中自由运动，但不会逃逸层外。 分析结果可以解释，在外电场频率f >104Hz时，双电层 中荷电离子仍能充分的自由运动而没有出现ERF效应衰减的 实验结果。而另一方面该理论也反映了电流变材料具有粒子 链结构的特征。该理论的不足之处在于：无法圆满的解释导 致材料电流变特性出现几个数量级突变的本质；在解释实验 结果时，计算所得双电层的Debye长度太大，甚至大大超出 了实验中的电极间距，结果从另一侧面又出现了新的无法解 释的矛盾。
Chapter 3.4 Electrorheological fluid sensing materials 电流变敏感材料
Fanli Meng （孟凡利） mengfanli@
3.4 电流变敏感材料
v3.4.1 电流变液体 电流变现象(效应)是指在外电场控制下，能在微秒 量级的短时间内产生黏度、阻尼性能及剪切强度可逆 性变化的现象(或效应)。 具有这种效应的材料被称为电流变材料，由于该材料 在未加电场时一般呈液体状态，故又称为电流变液体 (Electrorheological fluid, ERF)或电黏性液体。
v ERF通常由下列三个主要成分组成。 (1) 连续介质(溶剂) 连续介质为电流变体具有液体特性的载体。 (2) 分散介质(悬浮粒子) 分散介质为不溶于连续介质的亲水(液)性多孔性悬浮微粒。 (3) 表面活化剂 为了使分散介质微粒具有浸润性和渗透、分散、絮凝能力， 避免沉淀效应，且具有较优良的稳定性，应该尽可能降低粒 子的表面能力，还需引入表面活化剂，包括阴离子表面活化 剂、阳离子表面活化剂及非离子型表面活化剂等。 此外，也常见引入的附加成分为水或其它极性液体。
均一型ERF为液体与结晶固体间的中间相，如液晶，其中 分子有一定取向，在无电场的情况下分子紊乱排列，在电 场作用下则形成归正排列，因正负电荷相互吸引而黏度提 高，如下图所示：
粒子分散型ERF在无外电场作用时，分散介质粒子呈自由悬浮 状态，施加电场后，由于粒子被极化，正负电荷相互吸引而 形成粒子链，随着电场强度增大而逐步发展成为支蔓、团簇， 直至网络，从而液体黏度上升，直至具有固态剪切强度。
Chapter 3.5 Shape memory alloy sensing materials 形状记忆合金敏感材料
Fanli Meng （孟凡利） mengfanli@
Basic Concepts
v 形状记忆合金(Shape Memory Alloy，SMA)：利用 应力和温度诱发相变的机理来实现形状记忆功能 的一类材料。 v 特点是：将已在高温下定型的形状记忆合金置于 低温或常温下使其产生变形，当环境温度升高到 临界温度(相变点)时，合金的变形消失，并可恢 复到定型时的原始状态。 v 形状记忆效应(Shape Memory Effect，SME)：升 温后合金的变形消失、形状复原的现象。
ERF材料的特点： v 材料形态在固态属性和液态属性间快速转变，响应速度很 高，为毫秒数量级或更低； v 材料表观黏度的转变，乃至从液态至固态的变化是完全可 逆的； v 表观黏度随电场大幅度地无级变化，转换可由一简单的电 场信号进行控制，从而主要用作为电—机特性转化元件， 易于实现计算机控制； v 由于控制相变的能量极低，应用中能耗量极低。
盘式ERF转子阻尼器结构图
其工作原理如下图曲线所示。图中实线为未施外电场时转子 振动振幅的转速曲线。图中虚线为外施电场后的转子振动振 幅转速曲线。
ERF转子阻尼器降低临界转速振动振幅原理曲线
考点
v 电流变敏感材料的基本概念 v 电流变敏感材料的应用示例
思考题
Electrorheological (ER) fluids are suspensions of extremely fine nonconducting but electrically active particles (up to 50 micrometres diameter) in an electrically insulating fluid. The apparent viscosity of these fluids changes reversibly by an order of up to 100,000 in response to an electric field.
当外电场强度进一步增大后，由于双电层的交叠所产生 的静电作用力显著增加，材料的剪切强度也因此而增大。下 图为在外电场作用下，悬浮粒子双电层交叠，形成“双叠层” 电子云示意图。该理论定性地解释了ER效应在多相系统中所 出现的一些实验现象，为ER效应对电场强度、微粒体积含量、 电场频率及温度等的依从关系以及在电场升高后出现的“电 流变饱和”现象。
3.自控无级变速离合器 下图所示为一个可自动控制的无级变速离合器，其中主动轴 与传动轴之间充以ERF。当未施加外电场时，两轴间容器内 填充的ERF成液体状态，不存在传动力矩，传动轴为静止状 态。当极间施加外电场时，ERF黏度增加(直至完全固态化)， 从而使主动轴与传动轴之间存在所设计的转速比；当ERF黏 度进一步增大后，传速比 随之逐渐减小；直至ERF呈 现刚体特性时，传速比下 降为1。在转轴高速旋转时 (约8000r/min)，屈服应力 可达10kPa以上。
3.4.4 电流变效应机理
其机理尚未完全被理解，目前较能为人们普遍接受的几 种观点： 1.微粒极化成纤理论(静电极化理论) 该理论指出：“ERF效应的根源是电极化现象，该效应 的强弱取决于物质的极化率。在外电场作用下，被极化了的 分散悬浮偶极子微粒中所携带的异性电荷相互吸引成链或网 状结构，从而使材料的黏滞特性改变，呈现了电流变效应。” 极化成纤理论十分简单、明了，且十分形象地阐明了电 流变体的某些基本特性，但该模型还不全面，尚应寻求新的 形成机理来描述电流变体的形成原因。
ERF液压活塞系统油路示意图
5.ER阻尼器 盘式ER阻尼器为Nikolajsen所设计，这是一种用于降低电机 转子越过其临界转速时产生过大振动振幅的装置，从而可以 增加转子的支承刚度和外加阻尼，其结构图如下图所示。当 对施加于转子盘片与外壳 间的外电场强度进行控制 时，可使腔内ERF的黏度 发生相应的变化，从而达 到转子越过其临界速度时 振动振幅得到控制(减小) 的目的。
v 根据ERF的应用情况，从原理上分析，具有两种不同的结 构形式。 ① 固定电极结构——外力作用在ERF材料上，使ERF流过施 加电压的电极板之间，如下图(a)所示。 ② 滑动电极结构——两极间通以电压，外力作用在一个电极 上，使电极以一定速率相对于另一电极运动，如下图(b)所示 。
v 常用于测量ERF材料主要参数的同心圆柱流变仪(如 Couette流变仪，如下图所示)，即根据滑动电极结构设计。 其中内圆柱接电源，外圆筒接地，内圆柱以角速度相对于 外圆筒运动，外圆筒安装在 一测距传感器上，根据角速 度与转矩值指示，可获得ERF 材料的剪切应力、剪切应变、 静态屈服应力、剪切应变速 度、电流密度等值。
2.双电层变形机理 该理论认为，在外电场作用下，电介质颗粒外围的电荷扩散 层由原来的平衡对称结构沿电场方向产生了场致诱导畸变 (field-induced distortion)，即沿电场方向电子云被拉伸， 电荷呈两极分布，如下图所示。这时，即便分散微粒的介电 系数很低，但由于变形的双 电层间产生静电作用，也 能使得ERF在受到垂直于 电场方向的剪切应力作用 时，需要消耗额外的能量， 从而表现为使流体表观黏 度增加，表现出ER效应。 电场诱导粒子双电层畸变示意图
通常，具有实用价值的电流变材料，至少应具备如 下特性指标：电流密度i<20μA/cm2，零电场黏度
η0≤0.1~0.3Pa·s，动态屈服应力
间t<10-3s，工作温度
τy
≥2.0kPa
(当E=4.0kV/mm时)，介电强度E>1.0kV/mm，响应时
top
=-40~200℃，此外尚要
求较好稳定性、不沉淀、无电泳现象、无毒、无腐、 阻燃。
3.4.2 电流变材料
v 一种具有特殊组分和结构的液体材料，在直流外电场作用 下，产生黏度可逆化快速变化的效应被称为ER效应。电场 强度增大，液体黏度增大阶段称为正效应，而电场强度减 小，黏度降级阶段，称为负效应。
含水系——含水 Si O 2粒子等 H 2 AlP3O10 ⋅ 2H 2 O M(x /n)[(AlO 2 ) x (SiO3 )n ] ⋅ yH 2 O ER体又分为 金属盐水溶液/云母等 粒子分散型 非含水系——导体（Ag, C 等） 粒子分散型 半导体（聚苯胺、聚吡咯等） 及均一型两 电流变体 电介质（TiO 2 ,钙钛矿，强电介质等） 大类，大致 液晶（胆甾型、向列型、高分子型） 如右图所示。 极性硝基苯、非极性苯季铵盐等 均一型 强电解质聚合物溶液 聚合物微囊