电流变体综述

电流变体的研究进展

摘要：电流变体是一种在外加电场作用下表观粘度发生显著变化的流体。近年来，作为一种智能流体引起研究人员的广泛重视，并被广泛地应用到在汽车、通用机械及智能建筑材料等领域。本文概述了电流变现象、电流变体的工作机理及材料的研究近况，并介绍了电流变体的工程应用现状，同时提出了在今后的研究中需要重点解决的问题。

关键字：电流变体；智能材料；悬浮液；机理

Research Progress of the Electrorheological Fluids

Wen De-ping

Abstract: Electrorheological (ER) fluids are such fluids whose apparent viscosity will change greatly by the imposition of high-voltage electric field. As a new kind of smart liquids, ER fluids have received more and more attention in recent years and will be probably and widely used in the fields of Intelligent building materials, automobile and other general machinery. In this article, the latest research progress on the elec-trorheological behavior, mechanism of electrorheological materials is summarized and the application of electrorheological materials in the engineering fields is presented Meanwhile, the problems to be solved in this research field are also stated. Keyword：electrorheological fluid ;smart material ;suspension ;mechanism

1 引言

电流变体(Electrorheological Fluids，简称ERF)也叫电场致流变体。这类胶态悬浮液在外加电场的作用下，内部会出现一种沿电场方向的纤维状结构，该结构大大地增加了流体的粘度，通常可高达105Pa.s，故在几毫秒的时间内悬浮液可由液体变为固体，这种现象被称为电流变现象[1]。电流变体在电场足够高和剪切应力恒定的情况下能够固化成粘弹性固体，表现为宾汉流体特性(Bingham behavior)；一旦撤除外加电场，流体又迅速恢复至液体状态，呈牛顿流体特性(New-ton behavior)[2]。

电流变体自从1947年被Winslow发现以来，以其能快速、可逆地实现液固相转变，且具有响应快(毫秒级)、连续可调、能耗低等优良特性而在工程机械、液压系统、航空航天、机器人工业等众多领域有着广泛的应用前景[3]。将这一高新技术应用在未来新一代机械装备中，将使得其整机的技术性能明显提高。

本文主要针对国内关于电流变技术理论与应用研究现状及其进展进行了综述，提出了存在的问题及今后的研究方向。

2 历史

电流变液最早是由Winslow[4]发现的，由于其具有在液体和固体之间进行快速可逆转变的特性，因此对转矩传递、机械装置的电控有潜在的重要应用，现在已发展成为材料科学领域中的一种最重要的智能材料(Smart materials)，吸引了材料、化学、物理、机械、自动化等多学科研究人员的浓厚兴趣。早期开发的电流变液，也即传统的电流变液，绝大多数含有一定的水分[5]。受水的

汽化和凝固限制，使含水ER液存在工作温度范围窄(20～70℃)，高温下电流损失大，易造成设备腐蚀及长期放置会出现沉降等缺点。80年代末期，英国的Block和Kelly 以及美国的Filisco和Armstrong[6]相继发现了基本无水(或不含吸附水)的电流变液，扩展了电流变液的应用范围，也大大刺激了人们研究ER液的新的激情。

电流变液的研究在我国是一正在上升的新的研究领域，其研究工作也主要集中在国内一流高校[7]。1988年，国家自然科学基金会把有关电流变技术的基础研究列为“七五”期间的国家自然科学基金重大科研项目的子课题，由北京理工大学与中科院化学所共同承担。进入90年代，西安交通大学、清华大学、华中理工大学、复旦大学、中国科技大学和华南理工大学等均已投入人力和物力进行电流变液的机理、材料和可能性工程应用方面的研究工作。其中华中理工大学的谢洪泉教授、官建国博士着重进行粒子材料的研究工作，研究方向主要为聚甲基丙烯酸锂盐和聚苯胺粒子及其改性研究，目前还未见其应用报道；清华大学孟永钢老师前期工作主要进行电流变液测试仪实验台的建立，目前有几名研究生从事电流变液材料的研究开发。总的看来，我国在电流变液的研究方面也取得了一定成绩，但由于研究工作起步较晚，投入的资金与人员与发达国家相比存在很大差距，要想取得突破性进展，早日赶上或超过发达国家水平，还需要材料、化学、物理、机械、自动化等领域的研究人员继续深入地进行研究，以促进电流变液这门综合学科在我国的迅速发展。

3 应用

由于电流变体材料的表观粘度和抗剪切强度可以通过电压快速可逆地进行控制的特点，所以可将其广泛地应用在通用机械和汽车等工业[8]。但就目前的情况来看，电流变体材料的应用范围大致可分为三类，即离合器、液压阀和减振器，另外的最新的应用领域还有建筑材料等[9]。

电流变体应用于离合器时，电流变体放在电动机驱动的转子(输入)和驱动轴(输出)之间，在无电场的情况下，由于电流变体的粘度很低，因而电动机轴能自由旋转而不致引起驱动轴的相应旋转；当外加有电场时，旋转的电流变体的粘度会变得很大，这样电流变体拉着驱动轴使它也旋转，当电场断开时，液体又恢复低粘度状态，从而使转子单独旋转。由于电流变体的粘度是通过外加电场的强度大小来控制的，因此可以实现输出轴转动的高精度调整。

电流变体应用于液压阀时，要停止流动，只需要通过一台微电脑来控制电流就行了。在没有外加电场的情况下，流体保持流动，因而阀是开着的；当加上电场时，流体将会变成凝胶，从而阻止流体的流动，使阀关闭。移去外加的电场，则流体又开始流动，把阀打开。

电流变体应用于减振器时，由于电流变体可以在很短的时间内(几毫秒)实现从低粘度到高粘度的变化，因而可以用来改变振动吸收部件的减振效果，独立地实现减震。

电流变体在建筑材料上的应用主要体现在电流变体—砂浆复合结构的研究，利用电流变体—砂浆符合材料结构制成的可调钢梁实现建筑的半主动减震效果，应用范围：( 1)高层建筑风振和地震反应的半主动控制；( 2)多层建筑地震反应的半主动隔震控制；( 3)大跨桁架和网架结构竖向地震反应和风振反应的半主动控制。

4 研究现状

4.1 电流变体材料的工作机理的研究进展

4.1.1 静电极化机理[10]

静电极化机理最早是由Winslow提出的，现在正在逐渐完善和发展。该机理将电流变效应归结为来源于电流变体中分散相微粒间相对于分散介质发生极化作用。基于极化作用，研究者提出了被广为接受的静电极化模型。其主要内容为: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，负电荷向靠近正电极的一端移动，结果粒子两端富含