电流变液

智能材料电流变液在机械领域的应用

摘要：电流变液是一种新型智能材料，在机械领域有广阔的应用前景。本文首先介绍了新型智能材料电流变液的结构和原理，其次介绍电流变液在机械领域的运用。

关键词：智能材料；电流变液；应用

1 引言

智能材料目前还没有统一的定义。不过，现有的智能材料的多种定义仍然是大同小异。大体来说，智能材料就是指具有感知环境(包括内环境和外环境)刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的智能特征的材料。具体来说，智能材料需具备以下内涵：

(1)具有感知功能，能够检测并且可以识别外界(或者内部)的刺激强度，如电，光，热，应力，应变，化学，核辐射等；

(2)具有驱动功能，能够响应外界变化；

(3)能够按照设定的方式选择和控制响应；

(4)反应比较灵敏,及时和恰当；

(5)当外部刺激消除后,能够迅速恢复到原始状态。

智能材料又可以称为敏感材料，其英文翻译也有若干种，常用的有Intelligent material，Intelligent material and structure，Smart material，Smart material and structure，Adaptive material and structure等.。电流变液(electro—rheological fluid，又称ER流体)是一种新型的智能流体。通常它是指一种含两相或两相以上的悬浮体，在外加电场作用下，能在极短的时间内(毫秒级)，其流变性能发生显著的变化，如表观粘度和弹性模量剧增几个数量级，由液体向固体转变，而且这种转变是可逆的，当电场除去后，固体又很快变回液体。1949年美国的Winslow最早报道了电流变效应。他给这种液体命名为电流变液体。在描述电流变效应时，通常认为电流变液从零电场下的牛顿流体变成在外加电场作用下的宾汉流体。无外

之积，为牛顿流体，外加强电场之后，电流加电场时，液体的切应力τ等于剪切速率γ，和液体粘度η

变液产生一个电场强度E导致的屈服应力τ（E)，为宾汉流体，如下公式所示

γ

τ=τ（E)+η

由于电流变液的流变性能可由外加电场控制，而且响应速度很快，可广泛用于机械传动、减振隔振、液压阀、机器人和智能执行机构等机械领域。其良好的调控特性可以大大简化机械结构，提高系统的控制性能，降低成本，完成一些传统机械结构很难实现的功能。它在航空航天、生产自动化、武器控制、机器人工程、噪声防治、汽车工程、船舶工程、液压工程、农业机械、体育用品和体育机械等领域的广阔应用前景使电流变技术在过去的半个世纪中得到广泛研究，目前仍然为国内外研究热点之一[1]。

2 电流变液的机理和材料

（1）电流变效应的机理

对于电流变效应的机理，目前较普遍接受的为Winslow提出的诱导纤维化机理和Klass及Martinek提出的电双层机理。

①诱导纤维化机理

诱导纤维化机理认为：对电流变液施加外电场时，由于颗粒与分散介质的介电常数不同，颗粒将被极化产生偶极矩。在外电场作用下，极化力使ER流体的分散粒子沿电场方向排列，并彼此吸引而形成链状纤维结构，从而导致体系的表观粘度上升。

②电双层机理

电双层机理认为：吸附在分散相粒子表面的物质，在外电场作用下相对粒子发生场诱导畸变，在畸变内层与粒子表面之间产生静电相互作用，当受到垂直于畸变方向的剪力时，表现出粘性阻力，从而增加了粘度[2]。

（2）电流变液材料的研究进展

常规电流变液主要有三部分组成低介电常数的绝缘基础液(连续相)、具有相对较高的介电常数和较强极化能力的固体粒子(分散相)、起粒子表面活化和增加粒子悬浮稳定性的添加剂。电流变液的发展经历了以下几个主要阶段，现阶段研究热点为有机一无机复合电流变液材料及多层包覆结构电流变液材料。

①早期的含水电流变材料

早期研究主要集中在含水电流变材料上，如winSlow所报道的淀粉、石灰石、明胶等，Klass研制的聚甲基丙烯酸锂盐等一系列聚合物电解质基电流变材料以及Stangroom合成的稳定性更好的葡聚糖类。这些材料作为分散相必须用水作活化剂，这样就带来工作温度范围小、漏电流密度大和能耗高等缺点。

②聚合物无水电流变液材料

Block首先研制出了稠环芳烃类聚合物半导体无水电流变材料，标志着一个新阶段的开始。无水电流变材料较好的克服了含水电流变材料的多种缺陷，但该类电流变材料的缺点是基体的热稳定性较差、漏电流密度较大、制备工艺相对复杂、毒性大而且工业化生产较困难。

③无机无水电流变液材料

继有机无水电流变材料出现后，无机无水电流变材料也被广泛研制。Filisko所报道的无水硅铝酸盐电流变液被认为是第一种设计的无机无水电流变材料，这种材料特点是不含水以及在高温条件下仍具有较高的电流变活性。但它的主要缺点是密度大、颗粒的悬浮稳定性差、质地硬、对器件磨损大，而且力学值仍需进一步提高。

④有机一无机复合电流变液材料

进入20世纪90年代，有机一无机杂化材料已成为电流变材料研究与应用的主流之一。由于有机一无机电流变材料综合了有机材料和无机材料各自的特点，其组成、结构及颗粒大小等均可以在制备过程中进行适当控制，分散粒子的介电性能等可获得相应改善，因而这类电流变材料被认为很有开发和应用前景。西北工业大学赵晓鹏等人研制了一种高聚糖与无机氧化物杂化的电流变液材料，它是以钛酸正丁酯(Ti 一(OBu) 4)作为无机基体材料，羧甲基淀粉(CMS)作为有机原料，正丁醇作有机溶剂，草酸作为螯合剂，

少量的浓盐酸作催化剂。该电流变液的分散相是改性淀粉和钛氧化物两种组分在分子尺度上的杂化材料，它兼有无机氧化物制备简单以及有机物抗沉降性好的特点，在强电场下的力学值较高，而且材料制备工艺简单，是在常温下实施钛酸丁酯在高聚糖溶液中的原位溶胶凝胶反应，成本低廉。

⑤多层包覆结构的电流变液材料

除以上提到的几类电流变材料外，为了获得性能优良的电流变液材料，研究者们还设计和研制了多层包覆结构的电流变液材料。如香港科技大学温维佳等人研制了由表面包裹有尿素(Urea)薄层的(BaTiO(C2O 4)2)纳米颗粒与硅油混合而成电流变液，其剪切强度可超过1 30 kPa(5kV／mm)。2004年西北工业大学赵晓鹏研究小组报道了一种新颖的三元体系纳米复合颗粒电流变液材料，该三元体系是以高岭土／二甲基亚砜插层复合物为核，再包裹上羧甲基淀粉而构成的纳米复合材料。由该材料与甲基硅油配制的电流变液既具有较高的力学值，又有好的抗沉降性和宽的工作温区，而且制备工艺简单，原材料廉价易得。

3 电流变液在机械领域的应用

电流变液在外电场作用下，电流变液中的固体颗粒获得电场的感应作用，首先在两极板间排成链，随电场进一步增强，链之间相互作用而聚集成柱，从而由液态进入固态。近来电流变液组份获得不断改进，性能良好的电流变液在电场的作用下能产生明显的电流变效应，即可在液态和类固态间进行快速可逆的转化，并保持粘度连续。这种转变极为迅速，瞬时可控，能耗极小，因而可与电脑结合，实现实时控制。

（1）电流变液用于汽车行业

电流变技术在汽车上最直接的应用是利用它在电场下粘度连续变化的特性制造汽车离合器装置，例如汽车自动变速器的离合器，就可以用电流变液取代传统的齿轮离合装置。传统的汽车自动变速器机械结构复杂，具有体积大，耗能高的缺点。如果改用电流变液制作的离合器来代替传统的齿轮离合装置，不仅体积可以大幅缩小，而且控制简单，只需控制电压就可达到调速的目的，届时只需在方向盘上设置几个调速按键就可解决换档。电流变液作用下的离合装置原理是这样的：主动轴和从动轴之间充有电流变液。当外加电场为零时，主动轴不会带动从动轴转动；当电压逐渐增加时，电流变液的粘度会随之增加。当其粘度达到一定临界值时，主动轴带动从动轴转动。由此可见，根据电流变技术的原理，构成液—机耦合的机制，可以设计出全新的汽车结构。根据这一原理，同样可以设计出新颖的汽车转向系统、汽车的减震装置、制动装置等。与传统的机械产品相比，具有设计简化、应用简便、灵敏度高、噪声小、寿命长、成本低、易于实现电脑控制的特点。电流变技术在汽车传动系统的重大创新将引发一场汽车技术革命。我们知道，驱动汽车需要的扭距是很大的，这是汽车有别于其它用品的重要特征。扭距的传递要靠剪切应力。所以，制约电流变液在汽车驱动系统中应用的主要因素是所允许的最大剪切应力。目前大多数电流变液的动态剪切应力在15kPa以下，需要进一步提高。用电流变液原理取代传统的机械离合器的关键是剪切强度方面的突破[3]。

（2）电流变液的液压阀用于液压系统