材料講座系列之電流變體

1、電流變體一材料系列講座20世紀(jì)40年代，美國學(xué)者Winslow第一次使用分散相與分散介 質(zhì)形成懸浮液的研究成果被公開并獲首項專利，標(biāo)志著電流變學(xué)的誕生; 第一屆國際電流變學(xué)學(xué)術(shù)會議的召開(1987.8)及第一本回憶論文集的出 版(1989.8)標(biāo)志著電流變學(xué)成為國內(nèi)外學(xué)者所公認的一門獨立學(xué)科。Winslow最先把具有介電性質(zhì)的固體顆粒分散于絕緣油中，形成懸 浮液，當(dāng)給這種液體施加電壓時，可以觀察到兩電極之間形成了纖維狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使懸浮液的粘度 增加了幾個數(shù) 量級。這種由電場產(chǎn)生的相變過程稱為Winslow效應(yīng)，也稱為電流變效 應(yīng)。在電場作用下能夠呈現(xiàn) 強烈電流變效應(yīng)的一類特殊液體稱之為電流

2、 變液。/ 零場粘度應(yīng)盡量低，VlOOmPas/ 到達固化狀態(tài)的電場強度越低越好：一般3kV/mm通 過電流變液的 電流密度應(yīng)V 20uA/cm2 ；/穩(wěn)定性好：化學(xué)性能穩(wěn)定，懸浮穩(wěn)定性好，基礎(chǔ)液與固體顆粒的比重 最好接近；工作溫度范圍：-30140甚至更寬；/無毒、無污染、無腐蝕性，易于大批量生產(chǎn)制造、價格低廉。固體粒子的普遍要求：a.有較高的相對介電常數(shù)和較強的極性；b.與基礎(chǔ)液相適應(yīng)的比重，以防止沉淀；c.適當(dāng)?shù)牧Ｗ哟笮。阂话銥镺.l-lOpm ；d.合理的粒子形狀：圓形、橢圓形、針狀、纖維狀；e.無毒、耐磨、性能穩(wěn)定。對分散介質(zhì)的要求：a.絕緣性良好，耐高壓，抗擊穿性能好；b.高沸點和

3、低凝固點，常用工作溫度下不揮發(fā)；C.低粘度，密度盡可能大，與分散相固體粒子相匹配；e.高的化學(xué)穩(wěn)定性，顯著的疏水性；g.無毒、價廉。固體粒子的種類：無機非金屬粒子、聚合物電解質(zhì)粒子、聚合物半導(dǎo)體 粒子和復(fù)合材料粒子。添加劑：包括外表活性劑、穩(wěn)定劑等。外表活性劑：增溶、潤濕、滲透以及分散和絮凝作用，促進電流變效應(yīng)， 增強懸浮液穩(wěn)定性。包括油酸酯、山梨醇、甘油、琥珀酸酰亞胺、苯酚 鹽、磺酸鹽等。穩(wěn)定劑：增加懸浮粒子的穩(wěn)定性或產(chǎn)生粒子間膠態(tài)的分子團橋，使粒子 不沉淀又不絮凝，流體處于一種凝膠態(tài)。主要為嵌段共聚物和接枝共聚 物。無機電流變材料優(yōu)點：高介電常數(shù)，可通過物理或化學(xué)方法調(diào)整形態(tài)和 結(jié)構(gòu)以改變

4、其介 電性能。缺點：密度大、易團聚、懸浮穩(wěn)定性差；質(zhì)地硬，對器 件壁磨損較大； 力學(xué)值仍需進一步提高。綜合考慮介電常數(shù)、電導(dǎo)率等介電性質(zhì)和界面 狀況 等因素對電流變效應(yīng)的共同作用，通過摻雜等改性方法向材料引入 少量活性離子或使之半導(dǎo)化以改善其介電和電導(dǎo)等特性。例如：稀土元素摻雜TiO2,其介電常數(shù)、電導(dǎo)率大幅度改善，剪切應(yīng)力 有所提高。聚合物基電流變材料優(yōu)點：密度較低，與分散介質(zhì)密度差小，混合分散性好，不易沉降，流 體易于貯存；質(zhì)地軟，對電極的磨損程度小，可有效解決電流變液材料 對器件的磨損問題；吸水 率低，電流變流體性能不易受到環(huán)境濕度的影 響；材料品種多，易于通過物理方法或化學(xué)手段進行分子

5、結(jié)構(gòu)、微粒結(jié) 構(gòu)的設(shè)計，以獲得更佳的電流變性能。缺點：熱穩(wěn)定性較差，只能在100以下干燥處理；高電場強度下漏電 流較大；制備工藝復(fù)雜、毒性大，工業(yè)化 生產(chǎn)困難。結(jié)構(gòu)改性。雙層結(jié)構(gòu)：高介電常數(shù)的絕緣外層包裹高導(dǎo)電核心。高導(dǎo)電核心提高顆 粒的介電常數(shù)，增加顆粒的外表電荷，提供適宜的電導(dǎo)率；高介電常數(shù) 絕緣外層控制和束縛導(dǎo)電層極化后的電荷不致逸散，提高材料的耐電場 擊穿能力，提高鏈結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。三層結(jié)構(gòu)：核心是空心玻璃微珠或高聚物顆粒，以降消沉降性；中間為 高電導(dǎo)金屬層，以提高材料的介電性，增強ER效應(yīng)；最外層是高介電常 數(shù)絕緣層，以提高介電常數(shù)，同時控制電導(dǎo)、耐磨性和抗擊穿性。通過選擇和設(shè)計每層的

6、材料和厚度、控制和優(yōu)化材料的介電性質(zhì)和物化 性質(zhì)，進一步提高電流變液綜合性能。Co外表改性：對材料進行外表改性，改善材料的外表狀態(tài)（如外表電荷 分布、與基液的潤濕性等），改變材料的介電性質(zhì)或物化性質(zhì)，提高ER 效應(yīng)，降低顆粒的沉降性。外表改性方法有氧化處理、吸附、包覆、接 枝等。優(yōu)點：制備簡便，材料性質(zhì)較易控制；無機-有機復(fù)合界面狀態(tài)更加模糊， 材料性能可持久不變。影響電流變效應(yīng)的主要因素1、電學(xué)參數(shù)：包括電場性質(zhì)和電場強度。在交流電場的 頻率小于粒子的 極化速率時，會產(chǎn)生電流變效應(yīng)；但是在交流電場的頻率大于極化速率 時，電流變效應(yīng)就不再 發(fā)生。流體剪切應(yīng)力及表觀粘度與電場強度成正 比，即電場

7、強度越大，剪切應(yīng)力就越大。2、溫度：對于含水電流變液，它的剪切應(yīng)力隨溫度上升 而增加，當(dāng)超過 某一個臨界溫度時，那么隨溫度上升而迅 速下降，期間出現(xiàn)一個峰值。3、溶液質(zhì)量比：質(zhì)量比小時，懸浮的顆粒數(shù)目少，不能提供足夠的顆粒 數(shù)目形成鏈狀結(jié)構(gòu)，體系的電流變效應(yīng) 比擬弱。當(dāng)電流變液的質(zhì)量比足 夠大時，電流變液體系 可以提供足夠多的固體顆粒數(shù)目用以形成鏈狀結(jié) 構(gòu)。4、顆粒的物理特征：橢圓形顆粒在形成鏈狀纖維結(jié)構(gòu)時需要的顆粒數(shù)目 少，臨場強度小，降低了能量的消耗。在一定的范圍內(nèi)，長徑比增大有 利于增強電流變效應(yīng)。粒徑太大，電流變液不穩(wěn)定，顆粒容易沉析，電流 變液的響應(yīng)速度變慢。 顆粒太小，體系中布朗運

8、動力會與引起電流變效應(yīng)的極化力相競爭，削 弱了體系的電流 變效應(yīng)。一般情況下，電流變液中的粒徑大多在10 100nm范圍內(nèi)。5、溶劑：電流變液有一個與電場強度和溫度有關(guān)的最正確含水量，少于或 者超出這個值，電流變液的活性都會變 低。同時要考慮溶劑和液晶高分 子的相容性。一般來說，理想的溶劑應(yīng)該具備低介電常數(shù)、低粘度、低 熔點、高電阻、高密度、高沸點、高介電強度、高化學(xué)穩(wěn)定性、無毒無 污染等性能。目前電流變液性能指標(biāo)不能全面和理想地滿足各種工程 應(yīng)用所提出的要 求，限制了它在各種工程應(yīng)用領(lǐng)域的使用范圍。其主要原因有：一、電 流變液的響應(yīng)較低；二、偶極矩 大的極性電流變液，其在較低的電場下 能發(fā)生

9、取向作用，但 易揮發(fā)，從而導(dǎo)致電流變液的電流 密度大；三、電流變液的抗沉降穩(wěn)定性較差。設(shè)計一種高抗沉降、高極性、且不易揮發(fā)的高響應(yīng)電流變體系是實現(xiàn)電 流變實際應(yīng)用的重要途徑。目前研究中普遍使用的主要是高介電常數(shù)、 低電導(dǎo)率的固體顆粒分散于低介電常數(shù)、低電導(dǎo)率的絕緣油中。無機化 合物如硅酸鹽、鈦酸鹽、金屬氧化物等是固體顆 粒材料中的重要一類。電流變液材料的應(yīng)用：利用ER流體在介于液體和固體的屬性間發(fā)生的 可控、可逆、連續(xù)的轉(zhuǎn)變，通過電場可實 現(xiàn)力矩的可控傳遞及機構(gòu)的在 線無級、可逆控制。應(yīng)用：機電一體化的自適應(yīng)控制機構(gòu)。(1)在動力傳遞裝置中的應(yīng)用：將電流變液位于有相對運 動的機械零部件 之間。

10、通過施加電壓改變電流變液的粘 性，從而控制機械部件之間傳遞 力或力矩的大小。例如 離合器。優(yōu)點：無沖擊載荷和噪聲，無磨損；結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕；無級可調(diào)、靈 敏度高、響應(yīng)快、能耗低；操作方便、易于實現(xiàn)電子和微機控制等。減振器：利用電流變液體對電場的快速反響能力，通 過改變兩電極的 電場強度調(diào)整電流變體的粘度，阻礙活 塞的相對移動，以到達減振的目 的。電流變阻尼絞：作為錢的軸相對于外筒作相對轉(zhuǎn)動時，帶動正負極板作 相對轉(zhuǎn)動，由于極板間充注電流變液，這樣當(dāng)兩個極板間有電場 時，電 流變液便產(chǎn)生相變 而粘度增大，從而形成較 大的剪切屈服應(yīng)力，使錢 的 阻尼增大。/?/Z ./Z2EI電流變液體閥：代替?zhèn)?/p>

11、統(tǒng)的控制流量和壓力的液 壓閥。無電場時，電 流變液可從正電極和接地電極 之間的夾層即閥中通過；加電場時，通過 閥的電流 變液的表觀粘度可由電場無級調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)流量 的無級調(diào)節(jié)。 電極間的流體固化時，閥門即“關(guān)上”。不需要具有相對運動的零件；不需 要精密的機械加工；流量和壓力可以直接用信號控制。電流變液：由高介電常數(shù)、低電導(dǎo)率的電介質(zhì)顆粒分散 于低介電常 數(shù)的絕緣液體中形成的懸浮體系，是可快速 和可逆地對電場作出反響， 迅速實現(xiàn)液體-固體性質(zhì)轉(zhuǎn)變的一類智能材料。電流變效應(yīng)：在電場作用下電流變液顆粒自身發(fā)生極化，由于極化 顆粒間產(chǎn)生靜電引力而使顆粒排成鏈或柱狀結(jié)構(gòu)，電流變液粘度增大； 當(dāng)外場高于

12、某一值時，流體狀 態(tài)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，流體類型也由 Newton流體轉(zhuǎn)變?yōu)锽ingham流體；當(dāng)電場減弱或消失時，它又可以快速 地恢復(fù)到原始狀態(tài)。，- O,起釗的被球豺廣 無規(guī)分布 / -Os.外場產(chǎn)生耨極:中 8 中小五或外 丁。e 1_ _，_J增加0008000008 00E=0E0RandomLine upChains電流變效應(yīng)的特征：a.流體粘度隨場強連續(xù)地?zé)o級變化直至固化，可實現(xiàn)在液態(tài)和固態(tài)間快 速和可控的轉(zhuǎn)換；b.液態(tài)和固態(tài)的轉(zhuǎn)換是完全可逆的；c.控制信號簡單：場強或電壓信號，可人控或自控；d.響應(yīng)靈敏，響應(yīng)時間在10-3秒左右;e.控制能耗很低。電流變液的特點：能感知環(huán)境的變化

13、，并根據(jù)環(huán)境的變化自動調(diào)節(jié)材 料本身的性質(zhì)使其粘 度、阻尼性能和剪切應(yīng)力都發(fā)生相應(yīng)的變化；液態(tài)和固態(tài)間的轉(zhuǎn)換快速、 可逆；粘度連續(xù)、無級變化，能耗極小。電流變效應(yīng)的機理1、雙電層理論：也稱界面極化理論。該理論認為在無電場作用時，分散 相粒子由于電離或離子吸附等原因使其 外表帶有電荷，這些電荷與周圍 介質(zhì)中的異號電荷在靜 電作用下相互吸引，構(gòu)成雙電層。在電場作用下， 帶電粒子向某一電極運動，而其吸附的異號電荷那么向相反的方向運動。 雙電層發(fā)生變形，產(chǎn)生非對稱分布，導(dǎo)致非 平衡電荷的分布，使電流變 液在受到垂直于電場方向的剪切時要消耗更多的能量，從而產(chǎn)生ER效 應(yīng)。主要缺點是沒有說明為什么雙層的相

14、互作用和交疊導(dǎo)致電流變體流 變性質(zhì)幾個數(shù)量級的突變。2、“水橋”理論：在由疏水的基礎(chǔ)液和親水且多孔的顆粒 組成的電流變液 中，固體顆粒的孔道中含有可移動的離子，并吸附、蓄留有一定量的水。 離子通過水的溶解，變得更易發(fā)生運動。在電場作用下，離子帶動水向 電極 上帶相反電荷的方向運動，這樣，水聚集在離子端部，并與附近粒 子相連，可見水在離子與粒子間的連接中起了“橋”的作用，使固體粒子 連接成鏈，電流變液宏觀上呈凝膠態(tài)，“水橋”的外表力作用導(dǎo)致了電流變效應(yīng)。撤去電場后，水分子同 離子重新進入粒子孔道內(nèi)，“水橋”消失，懸浮液恢復(fù)流動性。該理論對于后來開展起來的疏水性粒子的電流變體 系ER效應(yīng)的解釋那么

15、 存在一定困難。3、“纖維”理論：在電場作用下，原本雜亂無章分布于基 液的固體顆粒在 很短時間內(nèi)沿電場方向排列有序化，形 成鏈狀結(jié)構(gòu)。在固體顆粒較少時， 能觀察到粒子在電場 方向上是處于不斷運動的。當(dāng)電場強度加大或電流變液懸浮顆粒濃度增大時，鏈會逐漸形成柱狀結(jié) 構(gòu)，并出現(xiàn)側(cè)鏈，最終形成一個網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，電流變液的抗剪切強度增大。該理論還認為，流體電流變效應(yīng)的程度是由鏈結(jié)構(gòu)的強度決定的，而后者又決定于懸浮顆粒間的相互作用力的大小。此理論得出的電流變效應(yīng)的大小遠遠小于實驗值，不能很好地解釋電流 變現(xiàn)象。4、粒子極化理論：在高電壓作用下，電流變體中的粒子由于極化發(fā)生電 荷別離，正電荷向靠近負電極的一端移

16、動，負電荷向靠近正電極的一端 移動，粒子兩端富含正、負電荷，相鄰粒子由于靜電吸引相互連接即形 成鏈狀結(jié) 構(gòu)，進而粗化形成粒子柱。根據(jù)極化產(chǎn)生的機理不同，極化又包括電子位移極 化、離子位移極化、 偶極子轉(zhuǎn)向極化、游離極化、界面 極化等。靜電極化模型首先強調(diào)的是 粒子與連續(xù)相介質(zhì)之間存在介電不平衡，極化大小除與介電不匹配性有 關(guān)外，還與場強、粒子間距離等其它參數(shù)有關(guān)。Com+電極+電極prf顆粒pany Logo現(xiàn)在普遍認為，在電場作用下電流變液的極化是產(chǎn)生電流變效應(yīng)的原因。 電流變液是一種由相對介電系數(shù)不同的固液兩種電介質(zhì) 組成的懸浮體系, 因此其極化過程有其特殊性，這種極化包括如下幾種形式：發(fā)生在分散 相顆粒體內(nèi)的電子位移極化、離子位移極化及偶極子轉(zhuǎn)向極化；作為連 續(xù)相的基礎(chǔ)液的內(nèi)部極化；由于電導(dǎo)能力的不同而在界面處形成自由電 荷聚積所形成的顆粒外表與基礎(chǔ)液接觸的界面極化等。其中電子位移極 化和離子位移極化是快極化過程，而偶極子極化和外表極化是慢極化過 程，其中慢極化過程是產(chǎn)生 強電流變效應(yīng)的主要原因。電流變液的組成：由介電微粒與絕緣液體混合而成的復(fù)雜流 體。一般