第四章 智能材料 电流变液

●聚合物电解质粒子： 含易极化极性基团。
●聚合物半导体粒子： 含大π键电子共轭结构， 属电子导电型材料 。
●复合材料粒子：由两种或两种以上不同 性质材料组成。
11 ●复合材料粒子
典型结构：核—壳结构 核—导电或半导电材料—导电层
外壳—绝缘材料—绝缘层或控制层；
12 对分散介质的要求:
a.绝缘性良好(高电阻和低电导率)，耐高压，抗 击穿性能好；
●通过电流变液的电流密度：应＜20uA/cm2 (电场强度3kV/mm)；
8 对电流变液的性能要求：
●稳定性：好； 化学性能十分稳定； 悬浮稳定性好：基础液与固体颗粒的比重最好 接近；
●工作温度范围：-30～140℃ 甚至更宽；
●无毒、无污染、无腐蚀性； ●易于大批量生产制造、价格低廉； ●无水型；
(ii)表面改性
对材料进行表面改性
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改善材料的表面状态 (如表面电荷分布、与基液的润湿性等)
改变材料的介电性质或物化性质
提高ER效应，降低颗粒的沉降性。
表面改性方法：氧化处理、吸附、包覆、接枝等。 优点： 制备简便，材料性质较易控制；
无机－有机复合界面状态更加模糊，材 料性能可持久不变。
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4.3 影响电流变效应的主要因素
加电场时：通过阀的电流变液的表观粘度可由电场 无级调节，从而实现流量的无级调节。
电极间的流体固化时：阀门即“关上”。
特 点：不需要具有相对运动的零件； 不需要精密的机械加工； 流量和压力可以直接用信号控制
4 电流变效应的特征
a.流体粘度随场强连续地无级变化直至固化，可实 现在液态和固态或在液体属性和固体属性相间快 速和可控的转换；
b.液态和固态的转换是完全可逆的； c.控制信号简单：场强或电压信号，可人控或自控；
d.响应灵敏，响应时间在10-3秒左右； e.控制能耗很低。
5 电流变液的特点
●能感知环境(外加电场)的变化，并根据环境 的变化自动调节材料本身的性质，使其粘度、 阻尼性能和剪切应力都发生相应的变化;
固体粒子：单一组分、多种粒子或多组分。
对电流变液的性能要求：
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●电流变效应明显，屈服应力越高越好， 电场强度2-4kV/mm下：剪切屈服应力＞2～5kPa；
●取消电压后，可立即恢复无电压时的粘度或性能， 无迟滞现象；
●零场粘度应尽量低：＜100mPa·s；
●达到固化状态的电场强度越低越好：一般 ≤3kV/mm；
b.高介电常数绝缘外层：控制和束缚导电层极化 后的电荷不致逸散，提高材料的耐电场击穿能 力，提高链结构的稳定性；
23 双层结构模型
交流电场下，绝缘层厚度越小、与基液介电 常数的比值越大，ER效应越大。
甲基丙烯酸甲酯包覆金属镍粉 SrTiO3包覆金属核心
24 三层结构模型
结构和作用特点： a.核心：空心玻璃微珠或高聚物颗粒，以
(5)分散相颗粒的浓度 对屈服应力和零场粘度影响相反； 最佳体积分数φ为0.1－0.4。
29 (6)基液
① 影响：沉降性和零场粘度; ② 促进ER效应；
各向异性的液晶； 与固体颗粒具有同类极性基团的基液；
如：纤维素－蓖麻油(都有羟基)体系
(7)添加剂 取决于：种类、含量、添加方式(直接添加、 包覆在颗粒表面)。
缺点：温度稳定性差； 电流变效应弱，须高电压。
羧甲基化壳聚糖——极具前途
制备简单，原料易得，吸附力强，能吸附 金属氧化物而大幅提高其介电常数。
19 合成聚合物基电流变材料
●合成具有高极性基团的长链或网状高聚物， 或再对其进行改性处理；
●合成聚合物半导体材料，再通过掺杂或后处 理调整其介电常数和电导率。
②聚合物半导体电流变材料
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结构：多具有共轭π键，如蒽、菲、萘等为底物的自 由基聚合物和改性的聚苯胺、聚吡咯、聚蒽 醌等。
机制：在电场作用下，电子或空穴在这些共轭键之 间迁移使粒子快速而高度极化，故在干态下 具有强的电流变活性。
优点：较高的力学值、较低的密度、优良的疏水性，
可通过控制掺杂量和后处理程度有效控制电
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对固体粒子的普遍要求:
a.有较高的相对介电常数和较强的极性； b.与基础液相适应的比重，以防止沉淀； c.适当的粒子大小：一般为0.1-10μ m ； d.合理的粒子形状：圆形、椭圆形、针状、
纤维状； e.无毒； f.耐磨； g.性能稳定。
固体粒子的种类
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●无机非金属粒子——离子晶型化合物；
减振器—利用电流变液体对电场的快速反应能力， 通过改变两电极的电场强度调整电流变 体的粘度，阻碍活塞的相对移动，以达 到减振的目的。
33 基于流动模式的固定极板式减振器
由两固定电极构成电流变阀， 通过改变两电极的电场强度改 变电流变阀中液体的粘性流动 阻力，阻止流体在电流变阀的 流动及活塞的运动，实现阻尼 的实时控制。
微乳液法：外包表面活性剂的稀土氧化物电流变液
30℃、2.2kV/mm电场、1000s-1剪切速率：剪切应力 3kPa。
（2）聚合物基电流变材料的设计及制备
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优越性：
●密度较低，与分散介质密度差小，混合分散性好， 不易沉降，流体易于贮存；
●质地软，对电极的磨损程度小，可有效解决电流 变液材料对器件的磨损问题；
●液态和固态间的转换快速、可逆；
●粘度连续、无级变化，能耗极小。
——智能材料中很好的驱动器。
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4.2电流变液的组成
按体系结构分类 ●均一溶液型：
一些单相的强极性有机及高分子聚合物溶液 包括：单一成分的液体和多种成分的溶液； ●粒子分散型：
粒径在0.1-10um范围的固体粒子分散相与基 础液分散介质(如绝缘油类) 及添加剂所形成 的两相悬浮液体。
(1)分散相颗粒的大小、形状 大小：0.1-10μm； 形状：球状是最佳形状。
(2)分散相颗粒的化学性质 应能够持水,并能使离子在其中运动。
28 (3)分散相颗粒的介电性质
粒子介电常数和介电损耗均较大时，ER效应 才较强；此时，介电常数越大的粒子，其ER 效应越强。
(4)分散相颗粒的电导率 太大或太小，ER效应均不理想； σ=10-9S/cm ~10-7S/cm时ER效应最大。
高性能的电流变材料。
中科院物理所：复合SrTiO3钙钛矿型无水电流变体 16 4.4kV/mm DC电场：剪切应力5kPa (10－80℃); 加添加剂后达7kPa， 零场应力：200Pa ; 电流密度(80℃): ＜1μA/cm2； 悬浮稳定性良好。
西北工业大学：稀土元素掺杂TiO2 介电常数、电导率：大幅度改善； 4kV/mm 电场下剪切应力：320Pa→10kPa。
导的大小，温度稳定性好。
缺点：热稳定性较差，只能在100℃以下干燥处理； 高电场强度下漏电流较大； 制备工艺复杂、毒性大，工业化生产困难。
(3)电流变材料的多层结构设计及表面改性
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(i)多层结构设计 双层结构模型
高介电常数的绝缘外层包裹高导电核心
作用特点：
a.高导电核心：提高颗粒的介电常数，增加颗粒 的表面电荷，提供适宜的电导率；
典型代表：离合器
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靠主、被动件之间的电流变材料的剪切作用传
递动力，通过施加电压，改变电流变流体的粘度，
即可改变主、被动件之间传递的力或力矩。
优点：无冲击载荷和噪声，无磨损、 结构简单、质量轻、 无级可调、灵敏度高、响应快、能耗低、 操作方便、易于实现电子和微机控制等。
(2)在振动控制中的应用
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1
六、 电流变液
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4.1电流变液及电流变效应
电流变液(electrorheological fluids，ER流体)
由高介电常数、低电导率的电介质颗粒 分散于低介电常数的绝缘液体中形成的悬浮 体系，是可快速和可逆地对电场作出反应， 迅速实现液体—固体性质转变的一类智能材 料。
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电流变效应：
在电场作用下电流变液颗粒自身发生极化， 由于极化颗粒间产生静电引力而使颗粒排成链 或柱状结构，电流变液粘度增大；当外场高于 某一值时，流体状态由液态转变为固态，流体 类型也由Newton流体转变为Bingham流体；当 电场减弱或消失时，它又可以快速地恢复到原 始状态。
b.高沸点和低凝固点，常用工作温度下不挥发； c.低粘度； d.密度尽可能大，与分散相固体粒子相匹配； e.高的化学稳定性； f.显著的疏水性； g.无毒、价廉。
种类：非极性硅油、植物油、煤油、矿物油、 卤代烃等。
添加剂
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●表面活性剂：增溶、润湿、渗透以及分散和絮 凝作用，促进电流变效应，增强 悬浮液稳定性。
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4.4电流变液材料的应用
利用ER流体在介于液体和固体的属性间发 生的可控、可逆、连续的转变，通过电场可实现 力矩的可控传递及机构的在线无级、可逆控制。 应用：机电一体化的自适应控制机构
(1)在动力传递装置中的应用
将电流变液位于有相对运动的机械零部 件之间。通过施加电压改变电流变液的粘性， 从而控制机械部件之间传递力或力矩的大小。
种类：油酸酯、山梨醇、甘油、琥珀酸酰亚胺、 聚二甲基硅氧烷等硅(酮)类表面活性剂、 苯酚盐、磺酸盐、磷酸盐等。
●稳定剂：增加悬浮粒子的稳定性或产生粒子间 胶态的分子团桥，使粒子不沉淀又 不絮凝，流体处于一种凝胶态。
种类：嵌段共聚物和接枝共聚物。
14 添加剂
●水、乙醇、乙二醇、二甲基胺和甲酰胺等： 提高颗粒的有效介电常数； 作为颗粒间的连接剂； 促进颗粒的离子极化； ——促进和加强电流变效应。
降低沉降性； b.中间：高电导金属层，以提高材料的介电性，
增强ER效应； c.最外层：高介电常数绝缘层，以提高介电常数，
同时控制电导、耐磨性和抗击穿性。
25 三层结构模型
玻璃微珠/Ni/TiO2 PMMA/Ag/SiO2
选择和设计每层的材料和厚度 控制和优化材料的介电性质和物化性质
进一步提高电流变液综合性能
●吸水率低，电流变流体性能不易受到环境湿度的 影响；
●材料品种多，易于通过物理方法或化学手段进行 分子结构、微粒结构的设计，以获得更佳的电流 变性能。
聚合物电流变材料
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天然高分子材料
聚多糖类碳氢化合物：淀粉、纤维素、琼脂、 果胶、树脂及其衍生物
如羧甲基化产物等
机理：依靠带有的－OH、－COOH等易吸水 基团的吸附水产生ER效应。
34 基于剪切模式滑动极板式减振器
其中一个极板沿垂直于电 场的方向运动，由极板剪切电 流变液体产生阻尼力来控制活 塞的振动。
应用： 振动吸收装置 引擎底座 直升机水平旋转机翼叶片
(3)在液压控制中的应用
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电流变液体阀—代替传统的控制流量和压力的液压阀。 工作介质：电流变液
基本工作原理： 无电场时：电流变液可从正电极和接地电极之间 的夹层即阀中通过；
①离子型聚合物电流变材料
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机制：以离子极化为主，依靠自身具ห้องสมุดไป่ตู้的强极性基团
(如-SO3H、-NH2、-CN等)产生高介电常数， 并利用这些基团络合适量的金属离子或吸附
少量的水进一步加强极化和调整电导率。
无水聚氨酯型电流变材料：
-NH2：络合金属离子； 聚氨酯的交联网络：束缚金属离子。
苯乙烯—二乙烯苯磺化共聚物： 磺酸基：产生高极化、吸附水、结合离子。
4.2电流变液材料的设计及制备
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(1)无机电流变材料设计及制备
缺点:(1)密度大、易团聚、悬浮稳定性差;
(2)质地硬，对器件壁磨损较大; (3)力学值仍需进一步提高。
优点:高介电常数，可通过物理或化学方法调整形态 和结构以改变其介电性能。
综合考虑介电常数、电导率等介电性质和界 面状况等因素对电流变效应的共同作用，通 过掺杂等改性方法向材料引入少量活性离子 或使之半导化以改善其介电和电导等特性。