（固体力学专业论文）有关电流变液、磁流变液若干应用基础问题的研究.pdf

，r p 弓27 有关电流变液、磁流变液 若干应用基础问题的研究 摘要 小义首先对电流变液、磁流变液的研究状况及历史分别从材料、机理、结构、 力学性质、应用等各个方面进行了较为全面系统的综述。继而从应用基础研究的 日的m 发，对电流变液、磁流变液的几个问题进行了探索、研究。具体研究内容 包插： 一 ( 1 ) 利f j 透明也拔及图象处理技术研究了电流变液在静态及流动条件下内部结 构的彤成及演化规律。( a ) 直接观察并分析了静态条件下l 乜流变液柱状结构的形成 及演化舰律，并结合数理统计方法，揭示了电流变液结构的演化与外加电场的关 系，( f ! | j 存在两个闽值电场e c ，、e c 2 ，低于e c ，电流变液无法形成明显的柱状 占构：电场介于，、e c 2 之间时，颗粒快速集中形成明显的柱状结构；电场超 过e 。i 乜流变液已形成稳定的柱状结构并且几乎不再随电场变化。实验及分析 结果j 相关趣沦分析达到良好的一致0 ( b ) 观瑟并分析了电流变液在三利典掣【i ；l 流变阎( 平行平板、同心圆管、旋转圆板) 下的结构演化特征。这三种结构形式分 别对心0 夜压阀、离合器、刹车器等装置。f 电流变液在平行板i 乜流变阀中呈现复杂 的流动行为，包括颗粒淤积而造成的流动：怍均匀性、“河道”的失稳与分岔等现 象，f 水现了电流变液内部静电作用与流体动力作用之间的平衡，并对以往电流变 阀t 习匀流动假设提出了质疑：同心圆管旋转剪切装置中，电流变液结构的演化 与振荡振l i i 鬲密切相关，在小振荡剪切振幅下，粒予首先形成平行于振荡方向的层 状结构，随着时间的推移，层会相互结合形成网状结构。稳态剪切条件下形成的 d ，f ：j ：j 诱铮的层状结构与有关汁算机模拟结果样f 同；电流变液在两相对旋转圆盘 m 的结构演化与电场慢度及剪切率有关：只有当电场超过临界电场时，电流变液 能够肜成稳定的剪叨诱导的层状结构，而日，剪切速率越高川伍界电场也越高。、l ( 2 ) 基于宾汉模掣研究了复杂几何形状管道流电流变阀的流变特性。( a ) 同心简管 道流，同时考虑径向电场的分布及粒子空问聚集的不均匀性，本文给出了电流变 液在同心简管道流i l ，的流变特性，并且从理沦j ：发现大间隙管道流巾可能存在较 复杂的流j 口。( b ) 对锥形管道流的流变特性进行了功步研究，为没汁新掣乜流变 器件 足供了新的思路。( c ) 最后对理想电流变阀的动力学特性进行r 初步分析， 修正rw h i t t l e 等对此问题研究的不准确性。 ! _ 一 ( 3 1 磁流变液全面流变特性的实验测试。山于磁流变液的研究起步较晚，磁流变 测试没备比较缺乏，闲而日前可供参考的实验数据还很不完善。本文利用德国最 新改装的磁流变流变仪对磁流变液在稳态骑切及动态振荡条件下的流变特性进 行了较为全而的测试，为丰富和完荠磁流变数据库作出了有益的贡献。稳态剪切 。f i i f 况下，1 i 文实验研究了磁场强度、剪切率、体积分数列动态屈服应力及表观粘 度的影响：小振幅振荡剪切条件下，磁场、振l 衙、频率及体积分数等因素对磁流 变液的牯弹特性的影响也进行了分析和实验研究。再者，我们利用自己设计力工 的磁流变川服应力测弋装置分别测量了儿组颗粒经过修饰的磁流变液，发现由钻 微粒修 ! f i 过的磁流变液_ l 】 服应力明显提高。这砦实验结果对开发新型的磁流变液 提供j + 新的思路。 ， ( _ z ( 4 ) f 融流受叭蛇器的力：学特，h ：- 及模掣卅究j 小文研究了两种形式的阻尼器美国 l o f t l 公州提供的线性磁流变阻尼器及n 行设汁的挤压式磁流变阻尼器) ( a ) 线性 m 尼器：俸文利川i n s t r o n8 8 7 4 试验机实验研究了稳态正弦激励下线性磁流变 叭屈器的m 尼特性，分析了磁场、振i 幅及频率对阻尼特性的影响，并采用粘弹型 性模掣对m 尼器的力学行为进行了准确的描述j ( b ) 挤压式磁流变阻尼器( 利，h m t s8 1 0 材料试验机对我们设计的挤压式磁流变阻尼器动态特性进行了测试，包 ， 爿i 同频：蕾、不同振幅下阻尼器的响应力随时1 1 j j 的演化关系0 并对磁流变阻尼器 在挤压条件下n 勺数学模掣做了初步研究。这些研究结果对探讨磁流变阻尼器在结 构振动控制力匝i 起积极的作用。 关绷：吨融；怒， 1a 己t ? ” 屉冰劬 魂救 鸯孓y 厶 衫， 吐 r e s e a r c ho ns o m ep r o b l e m sr e l a t e dt of u n d a m e n t a la p p l i c a t i o n s o fe l e c t r o r h e o l o g i c a l ( e r ) a n dm a g n e t o r h e o l o g i c a l ( m r ) f l u i d s b y l i w e i h u a s u p e r v i s e d b y p r o f z h a n gp e i q i a n ga n dd r t a n gx i n l u ( u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fc h i n a ) a b s t r a c t i l lt h i sp a p e r ，ac o m p r e h e n s i v es u r v e yo nt h er e s e a r c hs t a t u sa n dh i s t o r yo fe ra n dm r f l u i d sw i l lb ef i r s tp r e s e n t e df r o ms e v e r a la s p e c t so fm a t e r i a l s ，m e c h a n i s m s ，s t m ：t u r e s ， p r o p e r t i e s ，a n da p p l i c a t i o n s t h e ns o m ep r o b l e m sr e l a t e dt of u n d a m e n t a la p p l i c a t i o n so fe r a n dm rf l u i d sw i l lb ei d e n t i f i e da n ds t u d i e d s p e c i f i cr e s e a r c ht o p i c st h a tw i l lb ef o c u s e do n ；i r e ： ( 1 ) s t u d yo ff o r m a t i o na n dc o n v o l u t i o no fe rf l u i d su n d e rs t a t i ca n df l o wc o n d i t i o n s u t i l i z i n gt r a n s p a r e n te l e c t r o d e sa n di m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e ( a l l t h ef o r m a t i o na n d c o n v o l u t i o no fc o l u m ns t r u c t u r e so fe rf l u i d su n d e rs t a t i cc o n d i t i o n sa r ed i r e c t l y o b s e r v e da n da n a l y z e d t h ea n a l y t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h e r e a r et w ot h r e s h o l de l e c t r i cf i e l d s ：e c la n de c 2 b e l o we c ；，e rf l u i dd o e sn o tf o r mi n t oa n o b v i o u sc o l u m ns t r u c t u r e ；h o w e v e r ，w h e nt h ef i e l dj sa b o v ee c ：，t h ep a r t i c l e sw i l lf o l m i n t oc h a i no rc o l u m ns t r u c t u r e sr a p i d l y ，a n dt h eh i g h e rt h ef i e l d ，t h em o r es t a b l et h e c o l u m ns t r u c t u r e w h e nt h ef i e l di sa b o v ee c z e rf l u i df o r m si n t oav e r ys t a b l es t r u c t u r e a n da l m o s th a sn oc h a n g e sn om a t t e rh o wh i g ht h ef i e l di s t h ee x p e r i m e n t a la n d a n a l y t i c a lr e s u l t sa r ei ng o o da c c o r dw i t hs o m et h e o r yr e s u l t s ( b ) t h es t r u c t u l a l c o n v o l u t i o no fe rf l u i du n d e rt h r e et y p i c a lv a l v e s ，i e ，p a r a l l e l p l a t ec o n f i g u r a t i o n ， c o n c e n t r i c c y l i n d e rc o n f i g u r a t i o na n dr o t a r yp l a t ec o n f i g u r a t i o n ，w h i c ha r eb a s i cd e s i g n f o u n di ni l y d r a u l i cv a l v e b r a k e a n dc l u t c ha n ds oo n t h eb e h a v i o r so fe rf l u i df l o w i n g t h r o u g hp a r a l l e l - p l a t ev a l v es h o wc o m p l i c a t e df l o wp a t t e r n ，i n c l u d i n gt h en o n u n i f o r m f l o wc a u s e db yt h ea c c u m u l a t i o no fs o l i dp a r t i c l e si nt h ev a l v ea n dt h ei n s t a b j i i t yo ft h e o b s e r v e de r “r i v e r ”t h i sc r e a t e sac h a l l e n g et ot h ep r e v i o u st h e o r e t i c a ia n a l y s i sf o re r w d v e su s i n gt h eu n i f o r m f l o wa s s u m p t i o nt h ec o n v o l u t i o no fe rf l u i dw i t h i n c o n c e n t r i c c y l i n d e rv a l v eu n d e , s m a l 】a m p l i t u d eo s c i l l a t o r yf l o wh a sac l o s er e l a t i o nw i t h t h ea p p l i e da m p l i t u d e t h es o l i di j a r t i c l e sf i r s tf o r mi n t ol a y e rs t r u c t u r e sa n dt h e nt h e s e i a y e r si n t e r a c ti n t on e t w o r ks t r u c t u r e s t h es t r u c t u r ec o n v o l u t i o no fa ne rf l u i di na r o t a r yp l a t ev a l v ed e p e n d so nb o t he l e c t r i cf i e l da n ds h e a rr a t e t h ef l o w i n d u c e dl a y e r s t tu c i u r c a l lb eo b t a i n e do n l yw h e nt h ea p p l i e de l e c t r i cf i e l di sa b o v eac r i t i c a l f i e l d ， w h i c hi saf u n c t i o no fs h e a rr a t e t h eh i g h e rt h es h e a rr a t e ，t h eh i g h e rt h ec r i t i c a lf i e l d ( 2 ) ab i n g h a mp l a s t i cc o n s t i t u t ee q u a t i o nw a su s e dt os t u d yt h ep o i s e u i l l ef l o w c h a r a c t e r i s t i c so fe rf i u i d st h r o u g hc o m p l e xg e o m e t r i e s f i r s t l y ，t a k i n gi n t oa c c o u n tt h e r a d i a le l e c t r i cf i e l da n dt h en o n - u n i f o r ms p a t i a id i s t r i b u t i o no fp a r t i c l e s ag e n e r a l i z e d e x p r e s s i o no ff l o wr h e o l o g yo fe rf l u i df o rt w o - c o n c e n t r i c - c y l i n d e rv a l v ew a sg i v e n ， a n dan e wt y p ev e l o c i t yp r o f i l ew a sf o u n da tl a r g eg a p r a d i u sr a t i o s e c o n d l y ，ac o n e s h a p ec h a m m lf l o w w i t ha ne x p a n d i n gc r o s ss e c t i o n a la r e aw a si n v e s t i g a t e da f t e r r e a s o n a b l es i m p l i f i c a t i o n ，w h i c hm a yb eu s e f u lt od e s i g nn e we rd e v i c e s f i n a l l y ，t h e r e s p o n s et i m eo fa l li d e a le rv a l v ei nap a r a l l e l p l a t ec h a n n e lw a sc a l c u l a t e db yu s i n gt h e t i r n ed e p e n d e n tf l o w e q u a t i o n t h i sr e s u l tr e v i s e ds o m ei n a c c u r a c y o fw h i t t l e s c o n e i u s i o n ( 3 ) e x p e l i m e n t a ls t u d yo fr h e o l o g yo fm a g n e t o r h e o l o g i c a if l u i d d u et ot h el a t es t a r to fm r r e s e a r c ha n dt h el a c ko fc o n v e n t i o n a lm e a s u r e m e n ta p p a r a t u s t h e r eh a sb e e ni n s u f f i c i e n t r e p o l t so rd a t a b a s ej nt h i sf i e l d w i i ht h eh e l po fa l la d v a n c e dm r r h e o m e t e rm o d i f i e db y g e r m a n yp a a rp h y s i c ac o ac o m p r e h e n s i v er h e o l o g ym e a s u r e m e n to fm rf l u i du n d e r s t e a d ys h e a rf l o wa n do s c i l l a t o r yf l o ww a sp e r f o r m e d f o rt h es t e a d ys h e a rf l o w ，t h e d e p e n d e n c eo ft h ed y n a m i cy i e l ds t r e s sa n da p p a r e n tv i s c o s i t yo nt h ef i e l ds t r e n g t h ，s h e a r r a t e ，v o l u m ef r a c t i o nw a se x p e r i m e n t a l l ys t u d i e d ；f o rt h eo s c i l l a t o r yf l o w ，t h ee f f e c t so f m a g n e t i cf i e l d ，s t r a i na m p l i t u d ea n do s c i l l a t o r yf r e q u e n c yo nt h ev i s c o e l a s t i cp r o p e r t i e s o fm rf l u i d sw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d o nt h eo t h e rh a n d am e a s u r e m e n td e v i c ew a s d e v e l o p e dt om e a s u r es o m en e wm rf l u i d sm o d i f i e db yu l t r a f i n ep a r t i c l e st h e e x p e li m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ey i e l ds t r e s sh a sas i g n i f i c a n ti n c r e a s ef o rt h o s e m o d i f l e db yas i n a i la m o u n to fc o b a l tp a r t i c l e st h e s ee x p e r i m e n t a ir e s u l t sp r o v i d en i c e c o n i b u f j o nf om rr e s e a r c h ( 4 ) t e s t i n ga n dm o d e l i n go fm rd a m p e r s t w ot y p e so fm rd a m p e r ，o n ei sal i n e a rf l o w m o d em rd a m p e rs u p p l i e db yl o r dc o ，a n dt h eo t h e ri sas e l f - m a n u f a c t u r e ds q u e e z e m o d ed a m p e r ( a ) m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fal i n e a rm rd a m p e ru n d e rs i n u s o i d a ll o a d i n g w e r ee x p e r i m e n t a l l ys t u d i e dw i t ha ni n s t r o n8 8 7 4t e s t i n gm a c h i n e t h ee f f e c t so f m a g n e t i cf i e l d ，a m p l i t u d e ，a n df r e q u e n c y o nd a m p i n gf o r c e ，e q u i v a l e n td a m p i n gc a p a c i t y w e r ea n a l y z e d f u r t h e r m o r e ，av i s c o e l a s t i c p l a s t i cm o d e li s p r o p o s e d t om o d e lt h e d a m p e l b e h a v i o r i ti ss h o w nt h a tt h ed a m p e rr e s p o n s ec a nb es a t i s f a c t o r i l yp r e d i c t e d w i t ht h i sm o d e l ( b 1a nm t s8 1 0t e s t i n gm a c h i n ew a su s e dt os t u d yt h ed y n a m i c r e s p o n s eo ft h ed a m p e r ，i n c l u d i n gi t sf r e q u e n c yr e s p o n s e ，f o r c e a m p l i t u d er e l a t i o na n d e n e r g yd i s s i p a t i o np e rc y c l e t h ed a m p e rs h o w e das t r o n gi n h e r e n t l yn o n l i n e a rf o r c e - a m p l i t u d er e l a t i o n ，w h i c hi sd e s i r a b l et oa t t e n u a t et h er e s o n a t i n gv i b r a t i o no fa ne x c i t e d s t r u c t u r e at h e o r e t i c a lm o d e lw a sg i v e nt os t u d ys u c hn o n l i n e a r i t yo ft h ef o r e c e a m p l i t u d er e l a t i o na l lt h e s er e s u l t ss h o wg r e a tp o t e n t i a l si ne x p l o r i n gt h ep o s s i b i l i t yo f a p p l ym rd a m p e rt os t r u c t u r a lv i b r a t i o nc o n t r 0 1 致谢 小文作者衷心感谢一贯支持、鼓励、帮助自己的所有老师和朋友。从确定研 究力i f i j 、选题、指导到本论文成稿，都凝聚了导师张培强教授、唐新鲁博士、伍 小平教授及王珙民教授的心血。他们敏锐的洞察力、丰富的研究经验以及对作者 毫无保留的悉心指导使作者受益匪浅。张培强教授平日里对作者学业进步及家庭 生f 舌方而无微不至的关怀与帮助，作者一生都铭记在心。唐新鲁博士、王晓杰同 学近乎“拼命”的治学与科研精神深深地感染着作者，也是作者能顺利完成论文 的坚实基础。 作者特别感谢新加坡南洋理工大学陈光博士和杨淞发博士，是他们无私的爱 和真诚的支持与帮助才使作者有时间和精力在南洋理工大学继续从事相关的研 究爿：顺利完成论文。 感i 身j 陈海波、肖宇、宿晟、金昀、张平、王彤、测斌、王友宁、朱国亮、姚 l 司治等人的支持与帮助，和他们之间有益的讨论丛不同程度上给作者以启示。 父f 0 ：的支持与鼓励是本人能贯学习与科研的最坚实的基石。爱妻邬业艳女 _ 上刘+ 作者无微不至的体贴关怀使作者能够集中精力投身于学业与科研中去。 最后，作者还要感谢国家自然科学基金的帮助。 v 第一章绪论 随着科学技术的发展，特别是计算机技术、作动器技术、光学技术及控制论 的飞速发展，越来越多的智能材料受到科技界及工业界的重视，如压电陶瓷、形 状记忆合金、光纤等【1 ，2 】。作为智能材料家族的一个重要分支，可控流体 f c o n t r o l l a b l ef l u i d s ) 是最近刚发展起来的一类新兴智能材料，在结构控制及自动 化领域具有广阔的应用前景。最据代表性的这类可控流体为电流变液 ( e l e c t r o l h e o l o2 i c a lf l u i d s ) 及磁流变液( m a g n e t o r h e o l o g i c a l f l u i d s ) 3 ，4 】。当不加电场 或磁场时，这类流体与普通的牛顿流体性质相似，而一旦加电场或磁场，流体性 质会发生急剧变化，里现出类固体的特征，表观粘度会增加若于个数量级，去除 电场或磁场后，材料又会回复到原来的状态。这种变化可以瞬间完成( 毫秒量 级) 。人们根据这种流体性质可由外场控制的独特机电耦合特性设计了许多实用 的装置，如离合器、减震器、阻尼器、支座等，并月有些产1 已经商品化【5 一1 7 】。 l l = ! 流变液是由微米尺寸具有良好极化性能的固体颗粒分敞于低粘度介质油 ，f t 形成的息浮液，流体中往往加入一些稳定剂或表面酒性剂来防止沉淀的产生。 一般认为l 乜流变液是山w i n s l o w 首次发现的，因而也称为“w i n s l o w 效应” 1 8 ，1 9 】。早期的电流变材料属于“含水”电流变液， 即电流变液必须吸附一定 砖的水分才能表现出良好的电流变效应。然而水分的存在会严重影响电流变液的 发展，六、七十年代人们试图提高电流变液的力学特性结果导致了电流变液的全 面恶化，并且使电流变液的研究一度处于停滞状态。显然，由于吸附水在电流变 液小所弓i 起的不稳定性限制了电流变液的实际使用。直到八十年代巾期“无水” i 乜流变液| 发现和使用才又一次激起了电流变液的研究热湖 2 0 】。 与电流变液相类似，磁流变液也是由微米尺寸可磁化的固体颗粒分敞于母液 巾形成的悬浮液。r a b i n o w 于四十年代末首先发现磁流变效应并研究了磁流变 液在离合器等方面的应用1 2 1 。早期的磁流变技术发展相当缓慢，主要原因是 无法解决颗粒的聚集结块问题。最近几年，随着具有良好性能的磁流变材料的发 现和使川，磁流变技术取得了飞速的发展，并出现了商品化的磁流变产品【2 4 。 总之，电流变液和磁流变液都经历了早期的缓慢发展与近期的快速发展。尤 - i t i 近十年，荚围、i - 1 本、英国、法国等近二十个国家投入了大琏人力、财力分 别从基理、结构、力学特性、应用等方面来加速研究电、磁流变液的全而特性， 井逐步取得了巨大的学术及经济效益【3 , 4 ，2 2 ，2 3 。 邑流变液的宏观力学行为与颗粒在电场下形成的结构有关。了解电流变液在 稳态及流动状态下的内部结构变化，对深入了解电流变液宏观力学行为有很大的 彬助，同时对设计实际的电流变装置起积极的指导作用。本文第三章及第四章利 川透叫电极及图象处理技术直接观察了电流变液在静态及流动条件下电流变液 的内部演f i s 规律，为设计实际的电流变器件提供了内部结构的参考，同时对现有 的理论提了质疑。 现仃的电流变测试装置往往基于简单的平行平板及同心简管道流形式，复杂 儿何形状下电流变液的流变特性研究较少。同时考虑电流变阀中电场及颗粒的非 均匀分布，本文第五搴给出了同心套筒电流变阀一般解的形式。再者，本章对锥 形管道流小电流变液的流变特性作了初步探讨，为设计和使用新型的电流变装置 提供了新的思路。 和i 乜流变液相比，磁流变液的研究起步较晚，无论理论上还是实验上都缺乏 系统性，可供参考的实验装置及实验数据都较少。但磁流变液以其良好的力学性 能越来越受到科技界及工程界的重视。磁流变液力学特性的测试、磁流变器件的 没汁和使用目前成为科技界研究的热点。本文第六搴及第七章利用先进的实验设 备f 磁流变流变仪1 对磁流变液的流变特性进行了全面的测试，为建立和丰富磁流 变液放船库作出了有益的贡献，同时为设计和使用新型的磁流变材料提供了实验 指导。木文第八章利用自己设计的磁流变液j f 服应力测试装置对多种磁流变液进 行了测试，并着重研究了颗粒修饰作用对磁流变效应的影响，为设计新型的磁流 变材料提供了参考价值。本文第九章设计了一个挤压式磁流变阻尼器并对其动态 力学特性进行了测试，得到了一些有益的结论。本文第十章研究了线性磁流变阻 尼器在稳态正弦激励下的阻尼特性，如磁场强度、振幅、频率等对阻尼力的影响。 l j i i ，水文利用六参数粘弹塑性模掣结合参数识别方法来描述阻尼器的宏观力学 行为，模拟结果表明此模犁可以相当准确地描述此类磁流变阻尼器的真实力学行 为。 总之，i 电流变液及磁流变液是一个新掣的交叉学科，涉及力学、材料、物理、 f t s 学等多利峨n 识，需要多学科的相互配合、相互渗透。由于作者的水平有限，本 文作者在力所能及的情况下，从应用基础的角度出发对电流变液及磁流变液的若 下州题进行了初步的探讨。论文如有不妥或错误之处，望读者能予以指正或加以 补充，以促进对这种新型材料更深入的了解与应用。在此，本文作者表示最衷心 f 由感谢。 小文j ：要工作： l 、较为全而地综述了当今世界范围内在电流变液和磁流变液这一领域的研 究历史及现状： 2 、利j 【 】透n j 】电极及图象处理技术结合统汁教学方法研究了电流变液在静态 第一章绪沦 条件下的结构形成及演化规律，结论与有关微观机理分析取得良好一致 3 、研究了电流变液在三种典型的流动条件下的结构演化规律，为设计和使 用电流变装置提供了实验指导； 4 、同时考虑电场及颗粒的非均匀分布，给出了同心套简管道流稳态层流电 流变液的流变特性。还对锥型管道流也进行了初步探讨。最后，对理想电流变阀 的动力学特性进行了分析，指出了w h i t t l e 等对此问题研究的不足； 5 、利用先进的磁流变流变仪对磁流变液在稳态剪切及小振幅振荡条件下的 流变特性进行了系统的测罱与分析，为建立和丰富磁流变液数据库作出了有益的 贡献； 6 、没计了一个磁流变屈服应力测试装置，并对多种磁流变材料材料进行测 试，为新掣磁流变材料的开发提供了新的思路； 7 、没计并测试了挤压式磁流变阻尼器，并建立了合适的数学模型，为设计 和使朋磁流变装置提供了实验指导； 8 、实验研究了线性磁流变阻尼器在稳态正弦激励下的力学响应，并利崩六 参敬轴弹型性模掣对阻尼器进行了相当准确的分析和模拟，为阻尼器在结构控制 力i f i f 的应川提供了实验及理论上的指导。 第一章【乜流变液及磁流变液的研究历史及现状 第二章电流变液及磁流变液的研究历史及现状 近自：米，现代工业的飞速发展使计算机技术、电子电汽技术、传感器及作动 器技术以及控制理论汇入机电一体化( m e c h a t r o n i c s ) 的发展洪流之中。综合材料 学、物弹、化学、力学、电学、生物学等多学科相互交叉配合的智能材料领域的 石j f 究h 新jj 异，并对科技和生产产生了巨大的推动作用。作为新型智能材料领域 的一个响要分支，电流变液及磁流变液因其在外部电、磁场作用下表现出的流变 特性急删变化的独特机电一耦合特性，目前成为科技界的一个研究热点。利用 电、磁流变液随外部电、磁场固一液转换的瞬态可控性、可逆性及响应迅速等特 征，人们没汁j u 可受外场控制的离合器、制动闸、支座、作动器、控制阀、缓冲 器、减振器、消声器等工程应用器件【5 1 7 ，2 4 2 7 】，其中一些器件已经商品化。例 如，荚旧l o r d 公司开发的应用于健身器材巾的磁流变可调阻力器 2 4 ，2 5 1 , 磁流 变光学透镜磨制加工工艺1 2 6 ，2 7 等。 正足于电流变液和磁流变液材料在动力传输系统、航空航天伺服系统、结 构振动一t 动控制、机器人控制系统等现代工! 吐领域r i 巨大的应用前景 5 ，1 7 ，2 4 3 l i il i 前英、美、h 、法、俄、中等近2 0 个国家投入大，嘬资金及人力资源对电、 磁流变液的材料、物理4 = j l l t i 4 、力学行为和工程应用等方面展开了全面研究。而且， 科技界，| ：i l 上业界密切合作，定期召开国际学术会议交流最新研究成果，大大加速 r l u 、磁流变液的发展。 小章中要从材料、机理、结构、物理性质及应用等方面分别阐述电流变液及 磁流变液的研究概况，并着重对电、磁流变液的力学特性及力学模型作分析和讨 论，最后对电、磁流变液作一全面比较。 2 1i 也流变液 2 1 1 i u 流变效应 l 乜流变液足山微米尺寸具有良好极化特性的固体颗粒分敞于绝缘介质油中 形成的悬浮液。电流变液中往往加入少帚表面活性剂来减缓或消除固体颗粒的沉 淀。w m w i n s l o w 于四十年代末首次发现电流变效应，并对此效应作了初步的 解释【1 8 ，1 9 1 。 网2 i 可以直观地表示电流变效应。当未加电场l l 寸( 1 冬l2 1 a ) ，固体颗粒随机地 分布在母液油中，电流变液与普通的牛顿流体相似；然而，当加屯场时( 图2 1 b ) ， 颗粒会微瞬时极化成电偶极子，粒子间的相互作用会使固体颗粒形成链并进而形 成柱状结构，从而形成_ | 丑j 服应力。其表观粘度可以增加几个数最级。而且这种变 化是可逆的，去除电场后，会瞬间( 毫秒：最级) 回复到原来的状态。电流变液这利- 4 第二壮电流变液及磁流变液的研究历史及现状 独特的机电耦合特性为其赢得了广阔的应用前景【2 i ，2 2 。 ( a ) 无电场作用的电流变流体( b ) 电场作用下的电流变流体 图2 1 电流变效应示意图 2 1 2 i x 流变材料 绝人多数电流变液都是由三部分组成：可极化的固体颗粒为分敞质，绝缘油 作为分敞剂，另外含有少最电流变活化剂。 理想的分敝剂往往是由低粘度，绝缘性能好的油构成，比如矿物油、硅油、 变e 7 汕、石蜡油等等【2 l ，2 2 】。尽管增加母液的粘度可以减少固体颗粒的沉降速 度，却无助于提高电流变液的屈服应力，反而会增加零电场剪切粘度【2 1 因而 分敞剂的粘度应该越小越好。分敞质固体颗粒的尺寸是微米屠级，从0 1 u m l o o p m 彳：等，这类颗粒具有较高的绝缘常数及适当的电导率。早期的固体颗粒包 括d e 石，淀粉以及纤维素和离子交换剂等等。为了减少粒子的沉降速度及加大也 流变效应，一定景的f 西化剂对某些电流变液是必须的2 i ，2 2 1 。 l 也流变液主要分为两大类：“含水”掣电流变液( h y d r o u s e r f l u i d s ) 及“无水” 掣i 匕流变液( a n h y d r o u se rf l u i d s ) 。早期的电流变液一般是“含水”型电流变液， 这类l 乜流变液必须吸附一定罱的水分才可以显示明显的电流变效应【2 0 ，3 2 】。尽管 水分在“含水”电流变液中起二i 常大的作用，但正是因为水分的存在限制了这类 “龠水”掣电流变液的进一步发展 3 2 1 ，甚至导致六七十年代电流变液研究的停 滞4 i | j 1 。囚为“含水”掣电流变液无法克服过多的热耗敞、有效温度范围窄、电 腐蚀等缺点。“无水”电流变液的发现与使用重新掀起了科技界对电流变技术研 究的j 匙湖 2 0 】。与“含水”掣电流变液相比较，“无水”掣电流变液具有以下比 较m j 娃的优点【3 2 】：低电流、低热耗散、温度工作范围宽、温度稳定性好、耐腐 蚀、无毒性等。常用的“无水”掣电流变材料可以分为以下四大类【3 2 ：离子导 体类( i o n i cc o n d u c t o r s ) ，半导体类( s e m i c o u d u c t o r s ) ，高聚物( p o l y e l e c t r o l y t e s ) ，溶 葭( s o l u t i o n s ) 。除此之外，一种称为“负”电流变液的材料也弓l 起了大家的兴趣 第二学i 也流变液及磁流变液的研究历史及现状 【3 3 1 。这种材料的表观粘度随着场强的升高而降低。 总之，电流变材料对电流变性质影响很大，材料的突破是电流变液走向实用 的关键。 2 1 3 i u 流变液知f 服应力形成机制 到前为止，大致上有三种模掣用来解释电流变效应的物理机制，。e 4 1 7 是双 电层( d o u b i ee l e c t r i cl a y e r ) 模型 3 4 】，水桥( w a t e rb r i d g e ) 模型 3 5 】及粒子极化( p a r t i c l e p o l a r i z a t i o n ) 模掣【3 6 】。尽管双电层及水桥模犁在解释电流变液机理方面都起过一 定的作川，特另0 是针列“含水”挚电流变液，但目前普遍接受的则是粒子的静电 极化模3 7 ，3 8 1 。 图2 2 直观地描述粒子的静电极化原理。k l i n b e n b e r g 等 3 7 l g ) 0 最简单的点 偶板子模掣计算出粒子之间的作用力为 耻知叩2 删 3 c o s 2 0 u - 1 ) e r + ( s i n 2 0 i j ) e o 陪- ， 其一i “为粒子半径，为场强，。= 8 0 5 x 1 0 “2 f m 真空介电常数，昂、印分别 为颗粒及母液的介电常数，卢= e ，一，) ( s ，+ 2 e ，) 为每个粒子的相对极化率。 参考矧2 2 并结合方程( 2 一1 ) ，它表明当两偶极子( a ) 同电场方向平行排列时为引 力：( b ) 同电场垂直排列时为斥力；( c ) 同电场成一夹角巩，总有一力矩作用使其 趋i f l j 与电场同向排列。 n ( a ) a t t r a c t i o n ( b ) r e p u l s i o n 图2 2 两偶极子相互静电作用示意图 3 7 】 基于粒子极化原理，已经发展了许多理论和方法来计算颗粒之问的相互作用 力。如：多极偶极子展开近似 3 9 ，有限元方法f 4 0 1 ，虚功原j ；里 4 1 m a x w e l l 应力 展7 r 【4 2 】，电导模型【4 3 及非线性导电极化模掣【4 4 等等。值得一提的是t a n g 等 4 5 分别就颗粒整体导电、表面有导电模两种情况建立非线性导电极化模犁，着 重砷f 究r 母液的非线性导电性在直流电场下的力学作用，成功地解释了电流变液 川服应力与电场的幂次关系往往小于2 的实验现象，并与相应的实验结果取得良 扭伊嚣 。 第二审电流变液及谧流变液的研究历史及现状 好的一致。 同时考虑电流变液液相的粘性力及粒子的布朗运动等因素，一些研究机构利 用计算机动态模拟技术研究了电流变液在剪切流动 4 6 】、管道流【4 7 、振荡剪切 【4 8 等情况下电流变液动态结构的形成机理。 2 1 4 电流变液的结构演化 + 一在四十年代w i n s l o w 就提出电流变液在加电后会沿电场方向形成链状结 构。近来，人们利用一些光学技术1 4 9 5 1 i 莹接观察电流变液静态和动态条件下的 结构形成及演化规律。 静态结构 c o n r a d 等【4 9 1 用显微镜观察2 7 t t m 玻璃球在硅油中形成电流变液随着直流电 场的变化情况，实现发现，当电场低于0 5 k v m m 时，颗粒无法在两电极间形成 完整的链；电场超过0 5 k w m m ，可以形成完整的链，链的平均尺寸与电场强度 无关i i i 只与颗粒体积浓度有关。s m i t h 与f u l l e r 5 0 研究由两种尺寸4 9 n m 、 1 3