电流变技术的发展与应用

电流变技术的发展与应用

随着现代科学和技术的发展需要，传统的驱动器在驱动精度和驱动载荷能力方面

已经不能满足需求。近年来，利用电流变技术实现精密驱动的研究已经成为热点。

电流变技术是通过外加电场来控制材料的流变特性的一种高新技术，电流变技术的物质基础是电流变液。电流变液是由介于纳米与微米尺度之间的介电颗粒与高绝缘液体混合而成的复杂流体。在施加电场时，介电颗粒在感应偶极矩的作用下，沿着电场线的方向形成链状、柱状结构，这些链状、柱状结构改变了电流变液体的流变特性。在外加电场作用下，当剪切速率较低时，电流变液的表观黏度等流变特性可比无电场下增大几个数量级，并具有明显的屈服应力，成为强度可以和一般固体相比较的类固态物质，这种特殊的物理现象称为电流变效应。

目前普遍应用的电流变液流体，除了单相均态的戎晶以外，最常用的是两相多组分的悬浮液。在没有外加电场时，它的外观很像机器用的润滑油，它主要由以下三部分组成：做为分数介质的基础液、作为分散相的固体粒子和为了改善电流变液性能而加入的添加剂，其中添加剂包括促进电流变效应的表面活性剂和防止粒子凝聚的分散剂和防止固体粒子沉淀的稳定剂。基础液可采用合成油、矿物油、植物油等经极化处理的物质构成。基础液并不单纯对固体粒子起分散作用，更重要的是电流变流体的电流变效应，是电场作用于基础液和周体粒子所形成的两相多组分的悬浮液的整体行为。对基础液的一般要求是：（1）：低粘度．以便使电流变流体在未加电场时有良好的流动性，同时也使得响应时间较短，从而具有较好的电流变性能；（2）高沸点和低凝固．点一般要求电流变流体的工作温度范围是40℃一150℃；（3）高电阻和低的电导率．及绝缘性良好，能耐高压；（4）密度尽可能大．并与分散相的固体粒子相匹配，以避免沉淀；（5）化学稳定性好．要求在高压电下不分解，不氧化腐败；（6）显著的疏水性．要求基础液是疏水的，绝缘性好；（7）无毒、价格低。

固体粒子是一种由纳米至微米尺度大小的具有高的相对介电系数、较高的极化特性的微生物质组成，常用的固体粒子材料有：无机的金属氧化物或金属化合物，有机高分子材料，有机半导体材料和镀膜的复合粒子等。对固体粒子的普遍要求是：（1）有足够高的相对介电常数；（2）有较恰当的电导率；（3）能在足够宽的工作温度范围内保持稳定的性能；（4）与基础液相适应的比重’（5）适当的粒子大小和命题的粒子形状；（6）稳定的化学性能和物理性能；（7）耐磨无毒和无腐蚀性。

添加剂常用水、酸、碱、盐类物质和表面活性剂组成，其作用是增强悬浮液的稳定性和电流变效应。

电流变流体一般要满足一下要求：（1）高的静态和动态屈服应力；（2）低的漏电流密度；（3）低的零电场粘度；（4）响应时间快；（5）宽的温度范围；（6）无磨损；（7）固相和液相的密度相匹配以减小沉淀；（8）化学性能稳定；（9）使用和保存的寿命长；（9）无毒。

电流变效早住19世纪末就被一些物理学者发现并进行过相应的研究，由于当时条件所限，未引起工程技术界太多的重视。美国的winslow自1939年起．就电场对流体粘度的影响进行了一系列实验研究工作．获得了较高性能的流体，使人们对于这一物理现象开始做出重新的估价。这种可逆的电粘性效直也称为winslow效应。这种流体即电流变流体（ERF）。

20世纪80年代以来，西方各国竞相开展电流变效应的基础及工程应用的研究。参加研究工作有大学科研机构、企业集团及政府要害部门等。

我国对于电流变技术的研究大致开始于80年代中期。并得到了国家自然科学基金的

资助。由于资金不足和研究手段等原因．研究主要集中在中科院相关院所及国内几所大学。研究的水平与国外有一定差距。

目前研究中普遍使用的电流变流体通常是由可极化的精细固体粒子(分散相)、低电导率的绝缘基础液体(分散介质)和促进分散相粒子表面活化的粒子活性剂和增加流体中粒子悬浮定性的悬浮稳定剂等添加剂组成。国内外对电流变技术的研究主要涉及四个领域：一）对FRF产生电流变效应机理的研究和相关模型的建立。

目前，对电流变设应机理的研究，主要有以下几种解释：

（1）电介质分子极化理论：该理论是解释电流变效应最主要的理论，其主要观点是：电流变流体中的固体粒子在外电场怍下被极化，极化后的粒子沿电场方向排列成粒子链．流体的剪切强度主要取决于粒子链的强度。粒子的极化率越高，链中及链间粒子间的静电作用力就越强。但该理论无法解释电流变流体的表观粘度随温度的升高而提高的现象。（2）双电层极化理论：它成功地解释了电流变效应对电场频率和温度的依赖性，以及在高电场强度下电流变效应的饱和现象。但现有模型都有其不足之处，不能完全解释电流变效应的成因，国内外学者对模型的探索仍在摸索之中。

二）影响电流变效应因素的研究。

影响电流变效应因素主要包括：电场强度、温度(T)、电场性质(交／直流)、分散介质的介电特性及含量、分散介质粒子的形状和大小、剪切速率等。

三）寻求材料之间的最优配比，或者利用新技术和新工艺合成新型电流变流体，配制面向工程应用的高性能电流变流体。

四）简单的试验性电流变装置的研究和探索。

目前，基于电流变技术已成功地设计制造出性能更优的零部件，其特点是：无磨损，使用寿命长，生产工艺简单，成本低，易于实现机电智能控制．而且灵敏度高，拥有很大优势。

电流变技术J一泛应用于汽车工程、液压工程、航空航海、生产自动化、机器人工程、医疗器械、体育用品，国防等领域，应用前景非常广阔。

利用电流变液的表观粘度在电场作用下的无级可控性能，可以设计和制造出适合各种T 程领域中作振动主控制的阻尼可渊节的减振器和隔振器。

利用电流变液体一定范围内可以无级变化和控制的电致抗剪切屈服应力，可以设计和制造转矩、转速可以无极调节的动力传递元件。如：可调速的离合器、制动力可控的制动器等。美国东北大学的机器人专家康斯坦丁诺斯·马弗鲁迪斯发明的由电脑控制的、用于恢复肌肉力量的阻力设备，它带有一对内部含有电流变液体的制动器。

由于电流变液体在电场作用下，能产生高速响应的稠化和固化效应，利用它

可以研制在液压控制技术常见的高速响应的开关控制器件，运动物体位置的精确控制及液压传动中的流量和压力控制的各种阀类。

电流变技术是一门集物理学、材料学、力学、机械学、控制技术于一体的多学科交叉的高新技术，在工业领域具有广泛的应用前景。国外对电流变技术的研究较早，研究领域广泛，包括从基本理论研究、材料开发研究到实际应用研究。国内自从1988年魏宸官教授将电流变技术引入以来，研究队伍也不断壮大，并取得了一定的研究成果。今后对电流变液的研究方面，统一电流变液的极化机理，开发高性能电流变液材料仍将是研究的重点。另外，开发低成本的小型高压电源和电流变液可以有效降低研究成本。随着电流变技术的发展，其优异的控制调节特性必将使其在国民经济中得到广泛的应用。

参考文献