（机械制造及其自动化专业论文）波纹盘电流变传动机构研究.pdf

华侨大学硕士学位论文 论文摘要 摘要 电流变技术是一门崭新的机电液一体化技术，基于电流变液的电 控特性，该技术有可能给某些传统技术带来革命性变化。其技术的优 势表现在：装置结构更简单，响应更迅速，控制更方便，并具有某种 智能特性。近年来，随着研究的不断深入和突破，该技术正越来越引 起国内外科学家和工程师们的广泛关注。 众所周知，制约电流变技术在传动和制动方面应用的关键问题 是：由于电流变材料较低的场致应力，电流变装置产生的传动力矩还 不能满足工程应用要求，作者通过大量的文献资料研究，发现鲜有研 究者从机构优化角度出发去解决这个问题。 本文的研究目的就是，从机构优化的角度出发，研究如何通过改 变传动盘电极表面形状以提高电流变传动器中由电流变效应引起的 传递力矩( 以下称电流变力矩) 的问题。文中提出了一种波纹曲面圆盘 以替代传统的平面圆盘，使得装置处于剪切挤压工作模式，与处于剪 切模式下的双平盘电流变传动器相比，作者期望这样的设计能够大大 提高电流变力矩。 本文详细和系统地开展了下列科学研究工作： 首先是制备电流变液。同时，在自行改造的n x s 一1 1 a 圆筒型粘度 仪上，测试了电流变材料特性包括剪切应力、动态粘度随外加电场、 华侨大学硕士学位论文 论文摘要 剪切速率的变化规律。 其次，为了便于进行剪切模式和剪切挤压模式的电流变力矩比较 实验，作者设计并制造了一套单盘电流变传动机构和数个不同形状的 波纹盘。整套实验装置还包括转矩传感器、基于n i 公司程序软件的 数据采集系统、高压电源( 交直流) 以及调速电机等等。 接着，在对由主动平盘和被动波纹盘组成的电流变传动器进行电 学参数分析时，文中引入了一种保角变换来推导电容、电场强度的计 算公式。另外，对平盘与波纹盘问电流变液的运动也作了详细探讨， 得到的分析模型能够预测所传递力矩包括电流变力矩，与电流变液特 性参数和机构结构参数的关系。 再次，对平一波纹盘机构和双平盘机构所传递的电流变力矩进行 了一系列实验，将实验数据与前面推导出的计算公式相比较，结果证 明，在电流变材料、平均流体间距、外加电压、传动盘转速等条件都 相同的情况下，平波纹盘结构所传递的电流变力矩比双平盘结构有 成倍的增加，理论预测与实验结果能较好地吻合。另外实验中获得了 电流变力矩随电场、传动盘转速的变化规律，对电流变效应功率、漏 导电流、漏导功率等也进行了研究。 电流变传动系统是一种非线性和时变性系统，神经网络作为一种 用于不确定控制系统的有效工具也常用于对电流变装置建模，但是这 种方法无法表达出电流变装置的物理特性。文中的最后部分提出了一 一i i 华侨大学硕士学位论文 论文摘要 种基于b p 神经网络并结合了遗传算法的新算法，用来对双圆盘电流 变传动系统建模。建模的过程和结果表明，新算法不仅能改进b p 算 法的效率，并且由于算法中考虑到了电流变装置的特性，该方法使得 我们对电流变传动器有了更深的认识。同时，该方法应可以推广应用 在波纹盘传动机构中。 综上所述，本文对基于剪切挤压模式的平一波纹盘电流变传动机 构进行了一系列的理论和实验研究，研究结果表明，与基于剪切模式 的双平盘电流变传动器相比，平一波纹盘电流变传动器可以成倍地提 高电流变力矩。作者希望本论文的工作能够为推动电流变技术的传动 工程应用研究提供一些新思路和新方法。 关键词：电流变液，平一波纹盘，剪切一挤压流，平均间隙，实验研究， 结合算法，传递力矩 i i i 华侨大学硕士学位论文 a b s l r a c t a b s t r a c t e l e c t r o r h e o l o g i c a l ( e r ) t e c h n o l o g y i sa ni n n o v a t i v ee l e c t r o m e c h a n i c a l h y d r a n l i c t e c h n o l o g y b a s e do nt h ee l e c t r i c c o n t r o l l e d p e r f o r m a n c e o fe rf l u i d s ，e r t e c h n o l o g yi se x p e c t e dt om a k er e v o l u t i o n a r yc h a n g et os o m et r a d i t i o n a lt e c h n o l o g y t h et e c h n o l o g yh a ss i g n i f i c a n ta d v a n t a g e sa sf o l l o w i n g ：s i m p l e rs t r u c t u r e ，q u i c k e r r e s p o n s e ，b e t t e rc o n t r o l l a b i l i t y a n di n t e l l e c t u a l t e c h n o l o g y a s t h er e s e a r c hh a s d e v e l o p e dg r e a t l yt h e s ey e a r s ，e rt e c h n o l o g yh a sb e i n ga t t r a c t e dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n sf r o ms c i e n t i s t sa n de n g i n e e r si nt h ew o r l d a sw ek n o w , t h ek e yp r o b l e mt or e s t r i c te rt e c h n o l o g yt ob eu s e di nd r i v ea n d b r a k ea p p l i c a t i o n si st h a tt o r q u et r a n s m i t t e db ye rd e v i c ei sn o te n o u g ht om e e tt h e n e e d si n e n g i n e e r i n gi m p l e m e n t a t i o n d u et ol o w f i e l d d e p e n d e n t s t r e s so fe r m a t e r i a l s h a v i n gs u r v e y e da n dc o v e r e d av a s ta m o u n to f e n g i n e e r i n gl i t e r a t u r e ，t h e p r e s e n ta u t h o rh a s f o u n dt h a tt h e r ei sf e wr e s e a r c h e r sw h ow o r k e dt os o l v et h e p r o b l e mb ym e a n so f o p t i m i z i n g m e c h a n i s m c o n f i g u r a t i o n t h eo b j e c t i v eo ft h i sw o r ki st os t u d yh o wt oi m p r o v et r a n s m i t t e dt o r q u ec a u s e d b ye re f f e c t ( n a m e de rt o r q u e ) o f e ra c t u a t o rb ym e a n so f c h a n g i n gs u r f a c es h a p e o fd r i v ed i s ce l e c t r o d e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h er i p p l ed i s ci sp r o p o s e dt or e p l a c e t r a d i t i o n a lp l a t ed i s cf o ro p e r a t i n gi ns h e a r - s q u e e z e f l o wm o d e t h i sc o n f i g u r a t i o ni s p r e s u m e dt ob ea b l et oe n h a n c ee rt o r q u ec o m p a r e dw i t he r a c t u a t o rw i t hd o u b l e d i s c si uw h i c he rf l u i d sa r eo p e r a t e di ns h e a r - f l o wm o d e t op u ti tm o r es y s t e m a t i c a l l y , t h ep r e s e n td i s s e r t a t i o nh a sb e e na c c o m p l i s h e di n t h ef o l l o w i n gw a y s a st h ef i r s ts t e p e rf l u i d sw e r em a d ea n dm a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i cd e p e n d e n c i e s ， i n c l u d i n gs h e a rs t r e s s ，d y n a m i cv i s c o s i t y , o nc h a n g e si nt h ea p p l i e de x t e r n a l e l e c t r i c f i e l d ，s h e a rr a t ew e r em e a s u r e da n de x a m i n e d i nt h er e f o r m e da p p a r a t u so f n x s 一1 l a 华侨大学硕士学位论文 c y l i n d r i c a lv l s c o m e t e r a st h es e c o n ds t e p ，i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ed i f f e r e n c eo fe r i o r q u eb e t w e e n s h e a r f l o wm o d ea n d s h e a r - s q u e e z e f l o wm o d e ，as p e c i a le q u i p m e n t n a m e d s i n g l e d i s ce r a c t u a t o ra n ds o m e r i p p l ed i s c sw i t hd i f f e r e n ts h a p eh a d b e e nd e s i g n e d a n dm a n u f a c t u r e d e x p e r i m e n t a l s e t u p s a l s oc o n s i s t s o f ：t o r q u et r a n s d u c e r ，d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m b a s e do nt h en a t i o n a li n s t r u m e n t sp r o g r a m m i n gp a c k a g e ，s o n r c e o f h i g hv o l t a g e ( a c d cv o l t a g er e s o u r c e ) a n da d j u s t a b l e - s p e e dm o t o r ，e t c a st h et h i r ds t e p ，ac o n f o r m a lt r a n s f o r m a t i o na p p r o a c hw a se m p l o y e dt od e r i v e e x p r e s s i o n s t oc a l c u l a t et h ee l e c t r i cp a r a m e t e r si n c l u d i n gc a p a c i t y ，e l e c t r i cf i e l di nt h e p l a t e r i p p l ed i s co f e ra c t u a t o rc o n f i g u r e db ya d r i v i n gp l a t ed i s ca n da d r i v e nr i p p l e d i s c ，o nt h eo t h e rh a n d ，t h ef l o wo fe rf l u i d sb e t w e e np l a t ed i s ca n dr i p p l ed i s cv a s d i s c u s s e di nd e t a i l t h e r e s u l t i n ga n a l y t i c a l m o d e li s c a p a b l e o fp r e d i c t i n gt h e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e nt h et r a n s m i t t e d t o r q u e ，i n c l u d i n g e rt o r q u e ，a n dt h e c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fe rf l u i d sa sw e l la sc o n f i g u r a t i o np a r a m e t e r so ft h e m e c h a n i s m a st h ef o u r t hs t e p ，as e r i e so fe x p e r i m e n t sf o re x a m i n i n ge r t o r q u et r a n s m i t t e d b yt h ep l a t e t i p p l ed i s ca n d t h ed o u b l e - p l a t ed i s co fe ra c t u a t o r sh a db e e nc a r r i e d o u t m a n ye x p e r i m e n t sd a t ah a db e e ng i v e nf o rc o m p a r i s o nw i t ho u rc a l c u l a t i o n s b a s e do i lt h ea n a l y t i c a lm o d e li np r e v i o u ss e c t i o n a sac o n s e q u e n c e ，u n d e rt h es a m e c o n d i t i o n so fe rf l u i d s ，m e a nf l u i dg a ps i z e ，l o a d i n ge l e c t r i cv o l t a g e ，r o t a t i o n a l s p e e do fd i s c s ，w e c a r lm a k eac o n c l u s i o nt h a tt h ep l a t e t i p p l ed i s cc a np r o v i d e m u l t i p l ee rt o r q u et h a nt h ed o u b l e - p l a t e d i s co fe ra c t u a t o r s g o o d a g r e e m e n t w a s a c h i e v e db e t w e e np r e d i c t e dr e s u l t sa n dm e a s u r e dr e s u l t s f u r t h e r m o r e ，t h ev a r i a t i o n o ft h ee rt o r q u ew i t he l e c t r i cf i e l da n dr o t a t i o n a ls p e e do fd i s c sw a s o b t a i n e di nt h e w o r k i na d d i t i o n ，e rp o w e r ( p o w e rc a u s e db ye re f f e c t ) ，l e a k a g ec u r r e n ta n d l e a k a g ep o w e r h a da l s ob e e ni n v e s t i g a t e d v 一 华侨大学硕士学位论文 a b s t r a c t e rt r a n s m i s s i o n s y s t e m i san o n l i n e a ra n dt i m e v a r i a n t s y s t e m a n d n e u r a ln e t w o r k ，w h i c hi sk n o w nt ob ev e r ye f f e c t i v ef o rt h eu n c e r t a i nc o n t r o ls y s t e m ， w a se m p l o y e dt om o d e le rd e v i c e h o w e v e r ，t h i s a l g o r i t h m i sn o t c a p a b l e o f e x p r e s s i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fe r d e v i c e a tt h ee n do ft h ew o r k ，an e w a l g o r i t h m i n c o r p o r a t i n gg e n e t i ca l g o r i t h mb a s e d o i lb pn e u r a ln e th a db e e n p r o p o s e d a n d d e v e l o p e dt oi d e n t i f y t h ee ra c t u a t o rw i t hd o u b l e d r i v i n gd i s c s t h em o d e l i n g p r o c e s sa n dr e s u l t sh a dd e m o n s t r a t e d t h ev a l i d i t yo f t h en e w a l g o r i t h n at oi m p r o v e t h e c o m p u t i n ge f f i c i e n c y o ft h eb pn e u r a ln e ta l g o r i t h m w i t hr e s p e c tt ot h ec h a r a c t e r i s t i c o fe rd e v i c e ，t h en e wa l g o r i t h mc a l lh e l pu st oh a v em o r eu n d e r s t a n d i n gt oe r a c t u a t o r f u r t h e 订n o r e t h i sa p p r o a c hi sa v a i l a b l ei nm o d e l i n gt oo t h e re rd e v i c e i n c l u d i n g t h ee ra c t u a t o rw i t h r i p p l ed i s c o na l la c c o u n t s ，as e r i o u so ft h e o r e t i c a l ，a n de x p e r i m e n t a lw o r ko nr i p p l e - p l a t e d i s co fe ra c t u a t o ri nf o r mo f s h e a r s q u e e z e f l o wm o d e h a db e e nc a r r i e do u t d u r i n g t h i sr e s e a r c h 】ti sa p p a r e n tf r o mt h ei n v e s t i g a t i o nt h a t c o m p a r e dw i t l ld o u b l e - p l a t e d i s co f e ra c t u a t o ri nf o r mo f s h e a r f l o wm o d e ，t h ee r t o r q u eo f t h ep l a t e r i p p l ed i s c m u l t i p l et i m e sm o r et h a n t h a to fs h e a r f l o wm o d ei nt h ed o u b l e p l a t ed i s c t h e p r e s e n ta u t h o rh o p et h ew o r kd o n ei n t h ed i s s e r t a t i o nc a l l p r o v i d en e wi d e a sa n d m e t h o d sf o rf u r t h e r i n gr e s e a r c ho fe r t e c h n o l o g yi na p p l i c a t i o no f d r i v e e n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：e l e c t r o r h e o l o g i c a lf l u i d s ( e r f ) ，p l a t e r i p p l ed i s c ，s h e a r - s q u e e z e f l o w , m e a ng a p ，e x p e r i m e n ti n v e s t i g a t i o n ，i n t e g r a t e da l g o r i t h m ，t r a n s m i t t e d t o r q u e v i 原创性声明 本人声明兹呈交的学位论文是本人在导师指导下完成的研究成 果。论文写作中不包含其他人已经发表或撰写过的研究内容，如参考 他人或集体的科研成果，均在论文中以明确的方式说明。本人依法享 有和承担由此论文所产生的权利和责任。 学位论文作者签名 日期：z 丛= 竺盈 学位论文版权使用授权声明 本人同意授权华侨大学有权保留并向国家机关或机构送交学位 论文和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅。 论文作者签名： 签名日期： 巷醐 指导教师签名： 华侨大学硕士学位论文 第1 章引言 第一章引言 电流变学( e 1 e c t r o r h e o l o g y ) 是研究在电磁场作用下，物质形变和流 动，也包括研究物体粘性、弹性、塑性的一门新兴分支学科，它主要研究 电场强度、剪切应力、切变速率以及时间这四个物理量之间的关系叽 电流变液体( e l e c t r o r h e o l o g i c a lf l u i d s ，e r f ) 是一种在电场作用下， 当剪切速率较低时，或液体处于静止时，其表观粘度可比无电场下增大几 个数量级，其剪切应力可增大若干倍，并且呈现凝固或固化状态即j 的液 体。我们知道，智能材料的显著特点之一就是能随外界环境的变化自动调 节其功能。而e r f 能随外加电场强度不同而改变自身的强度，因而可以充 当智能材料的“肌肉”，人们正在研究将其运用在机械手、机器人、仿人 肌肉、人机一体化机构等仿生智能机构上，或是在虚拟现实技术中，利用 e r f 做成虚拟现实手套来感知力。2 1 世纪将是生命科学的世纪，今天，世 界上所有工业大国都有“智能材料”研究的重大计划，所以电流变技术 ( e l e c t r o rh e o l o g i e a lt e c h n o l o g y ) 作为一门新兴科学，有着巨大的发展潜 力。 随着现代科学技术的发展，机电一体化( m e c h a t r o n i e s ) 越来越受到 重视，把机、电、液融合为一体，用微机控制的流体元件及系统不断问世。 e r f 这种属于凝聚态物理学范畴的智能材料，因其特殊性质使得以它为载 体的机电产品容易实现计算机智能控制以及网络化控制因而具有极高的 应用价值，可以广泛应用于航空航天、军事、机电工程、汽车工程、土木 工程、精密加工工程、控制工程、医疗等领域。将电流变技术应用于机械 系统和液压控制系统，可实现无移动件或少移动件的机构，极大地改善系 统的动态品质。美国wa 伯劳夫指出“用电场直接控制流体将会带来一 场液压革命”1 5 - 6 ，电流变产品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、易于实现计算机控制等 华侨大学硕士学位论文 第1 章 引言 特点。电流变技术是节能、环保、绿色技术，为人性化、智能化机电装置 的设计提供了新的技术和方法，并被认为将会引起国民经济若干工业技术 发生革命性变化1 7 1 。 1 1 电流变技术简介及国内3 1 、研究动态 到目前为止已发现了3 种电流变效应( e l e c t r o r h e o l o g i c a l e f f e c t ，e r e ) ： 当e r f 的流变性质随外加电场的增加而有所提高时被定义为正电流变效 应：而当e r f 的流变性质随外加电场的增加而降低时被称为负电流变效 应；在某些e r 体系中，正和负电流变效应均可通过紫外光照射而提高， 这时电流变效应称为光电流变效应。这里，我们所说的电流变效应通常指 的都是正电流变效应。 电流变效应具有如下特点： ( 1 ) 可使电流变液体在液态与固态之间快速转换，或者在液体属性与固 体属性问快速转换。其特征是在静态和低剪切速率下表观粘度可大幅度地 变化，此时液体的流动性可逐步固化，而达到停止流动，并具有属于固体 属性的抗剪切能力。 ( 2 ) 这种转换是可逆的。 ( 3 ) 这种转换是可控的，即可用一个简单的电场信号予以控制。 ( 4 ) 其表观粘度的变化随场强的不同可作无级的连续变化。 ( 5 ) 这种在液态和固态之间的转换( 即相的分离或相变) ，其消耗的能 量极低，即控制相变的能量较低。 ( 6 ) 这种转换响应速度极高，一般为毫秒级，即千分之一秒。 目前，电流变技术主要分为三大研究范畴：电流变材料研究，电流变 效应机理研究及电流变技术工程应用研究。下面就这三个方面内容及近年 来国内外研究动态做筒单介绍。 1 1 1 电流变材料研究【b j 2 一 华侨大学硕士学位论文 第1 章 引言 e r f 的合理配方一直是众多科学家所追求的目标，对e r f 最重要的要 求是：电场致屈服应力或粘度变化尽可能大，并与零电场下的粘性有适当 的平衡；在大的温度变化范围内，电流密度低；长时期的稳定和防止沉积 作用。大多数的e r f 配方分析表明：e r f 一般是由基体油( 分散剂) 、固 体粒子( 分散质) 、表面活性剂( 界面活性物质) 和活化剂( 含活泼氢的 物质) 所组成。但随着对e r f 研究的深入，以及不同机械装置对e r f 配 方的要求不同，如有的要求e r f 能产生较大的屈服应力，而有的要求e r f 有很快的响应时间，因而配方的组成也不尽如一。研究表明：影响e r 效 应的因素非常多，包括外界环境( 外加电场强度和频率、温度、剪切速率 等) 、各种组成成份的物理化学性能( 颗粒的电导率、颗粒的尺寸和形状、 颗粒的介电性质等) 、不同配方比( 颗粒的体积分数、水的含量等) ，不 同配制方法等对e r f 的性能都有不同程度的影响，所以设计一种理想的 e r f 变得十分困难。 理论上说，任何分散质和分散剂介电率相差很大的两相系统都会有电 流变效应产生 1 1 。实验和理论证明，在电流变液中加入水可以增大粒子的 实际介电率，从而导致粒子在电场的作用下产生较大的相互作用力，因此 在1 9 8 5 年之前，几乎所有的e r f 都会有少量的水吸附在微粒的表面，水 可作为“活化剂”存在，而“活化剂”存在着固有的热性能问题( 如水在 0 c 结冰，在1 0 0 c 蒸发等) ，因而其使用温度只能局限在0 c 6 0 c 之间 的狭窄范围内，并且使用时稳定性差，仍存在着e r f 的强度对温度依赖性 大、电流随温度变化显著、腐蚀电极等缺点，为了克服这些缺点，自从1 9 8 5 年b l o c k i ”1 首次研究出稠环芳香烃类无水电流变液体以来，无水e r 材料 研究近年获得了长足的进步，并且较好地克服了含水e r 材料的多种缺陷， 尤其改善了e r 效应的温度效应。也是目前e r 材料的研究重点，这些无 水e r f 主要分为以下几种类型： ( 1 ) 无机材科 无机化合物如氧化物、盐类是一类重要的e r 材料，其特点是具有较 华侨大学硕士学位论文 第l 章引言 高的介电常数，具有很宽的工作温度范围( 在低于0 。c 和高于1 0 0 的环 境下保持稳定的性能) 和相对较低的电流密度。其中，沸石型和钙钛型化 合物是非常重要的e r 材料，特别是硅酸铝常用于制成具有强e r 效应的 材料。它的极化被认为来自电场下离子在沸石松散骨架中迁移的结果。另 外，分子筛材料的孔大小对体系的e r 响应起到至关重要的作用，因此可 以通过改变晶体结构、阳离子组成、颗粒的大小和形状等不同因素组成不 同的e r f 。此类e r 材料在外加电场为2 ，5 k v r a m 。和颗粒含量4 5 w t 时能 很容易达到1 0 k p a 。 西北工业大学的赵晓鹏利用溶胶凝胶法合成了镧、铈、铬离子掺杂 t i o ，电流变材料，在外加电场3 k v - m i l l “时，剪切应力可达到5 0 k p a ，力 学值比纯t i o ，提高5 倍。而介孔稀土( 铈) 掺杂的t i o ，电流变材料，在 外加电场3 k v m m 。1 时，剪切应力可达到8 1k p a ，力学值比纯t i o ，提高 了将近8 倍，比稀土掺杂t i o ，提高了将近1 6 倍。它的特点还在于可通过 稀土掺杂量调控e r 行为并且温度效应大幅改善，7 0 c 后仍具有强的e r 效应【1 4 1 。中科院物理所张玉苓等合成的表面改性的s r t i o ，电流变液体，在 外加电场3 k vm m 一1 时，剪切应力可达到2 7 k p a 多f i o j 。另外，超导材料如 y b a 2 c u3 0 h 、n d b a2 c u3 0 ，、b i2 s r2 c a c u o m 在硅油中室温时就可形成 纤维状结构，说明它们也有e r 效应。 但无机材料存在很多缺点，例如：密度大，颗粒的悬浮稳定性差，在 e r f 中较容易沉降；硅酸铝等颗粒硬度很大，对器件的磨损性大；力学值 仍需进一步提高。 ( 2 ) 有机和聚合物材料 聚合物基e r 材料是近年来才发展起来的e r 材料。它的最大优点是 密度小、质地软，可有效解决e r f 的沉降和材料对器件的磨损问题。有机 电流变材料包括各种各样的半导体聚合物材料如聚苯胺及其衍生物、苯乙 烯丙烯腈共聚物、聚( 对一亚苯基) 、聚( 并苯醌) 、聚合物粘土纳米 4 华侨大学硕士学位论文 第1 章引言 复合体、氧化的聚丙烯腈、毗咯及其衍生物、聚异戊二烯一聚甲基丙烯酸 异丁酯共聚物、聚噻吩、聚( 苯胺一共一乙氧基苯胺) 以及磷酸纤维素等。 在半导体聚合物材料中，氧化聚丙烯腈因为其强极性的c n 基团引起的高 介电常数使其具有较强的e r 效应，通过改变氧化聚丙烯腈的碳化温度和 时间，可以得到不同n 、h 含量的氧化聚丙烯腈，其介电常数和电导率是 不同的。如此处理后的氧化聚丙烯腈是研究e r 机理的理想材料和用于制 备优异e r 效应的e r 材料。而且，也可通过化学掺杂和表面改性来提高 氧化聚丙烯腈的e r 效应。 与其它有机聚合物颗粒相比，聚苯胺及其衍生物或与其它有机物的共 聚物的报道和研究较多，这主要是因为聚苯胺作为电流变材料具有其它材 料所不具有的优点川，例如密度、导电控制、热稳定性、环境稳定性和对 电流交设备无腐蚀性等。而且聚苯胺在较低的温度下很容易氧化聚合，并 且利用简单的质子酸可使其从导电状态转为绝缘状态。这就使得在保持其 颗粒性质和悬浮液性质不变的情况下改变颗粒的介电常数和电导率，因而 聚苯胺及其衍生物经常用作正电流变材料。 但是这些体系也存在者一些问题，例如，由于颗粒的聚集性较强，导 致分散性较差以及电流密度高。将聚苯胺与有机特别是无机材料掺杂、复 合、包覆，可以有效改善聚苯胺的e r 性能。 ( 3 ) 液体材料 液体材料经常用作分散相可以克服颗粒e r 材料容易沉降等缺点。液 体和绝缘油可以不混溶或混溶。有些液体材料特别是液晶材料显示出明显 的e r 效应。油油乳液体系呈现出相对较强的e r 效应。这些有电流变 活性乳液有蓖麻油一聚二甲基硅烷、氯化的石蜡聚二甲基硅烷和脲改性 聚丙烯醇一聚二甲基硅烷体系。乳液中e r 效应的产生是因为拉伸的液滴 沿电场方向形成纤维状链。在含聚苯胺的氯化石蜡硅油体系中可以观察 到协同效应。 液晶聚合物包括主链和带侧链聚硅烷以及聚( y 一苄基一l 一谷氨酸 华侨大学硕士学位论文 第1 章引言 酯) 等。液晶聚硅烷与4 一戊氧基4 联苯腈混合可产生正的e r 效应， 而液晶聚硅烷与n 一( 4 一甲氧基苯亚甲基) 一4 一丁胺混合后则表现为负 的e r 效应。许多文献报道了有关这些体系的e r 机理。液晶聚合物的分 子量分布似乎起到很重要的作用i i ”。低分子量的液晶聚合物本身或与其它 液体介质混溶后均可呈现e r 效应。这些液晶聚合物包括4 n 戊基一4 一 苯腈，聚( n 一己基异氰酸酯) ，聚( i ( 4 一羟基4 一联苯) 一丁烷) 和 聚( v 一谷氨酸酯) 。这些聚合物的最大的传输应力一般在1 7 3 0 k p a 。 但是，一般的液体材料用作e r f 时，存在着e r 效应变弱、响应时间 较慢以及在零电场时的粘度通常较高，并且大多数只在向列相时才表现出 e r 效应等问题。它们偶尔也存在着液一液分离现象。 ( 4 ) 核壳结构包覆材料 无机材料和聚合物材料由于本身的性质决定了它4 1 都不是完美的e r 材料。核一壳无机一有机或有机一无机复合颗粒可能兼有两种甚至多种材 料的优点，从而改善颗粒分散性和电流变效应。c o n r a d 等”提出具有优异 e r 性能的单分散材料，颗粒应该是在核上进行多层包覆的复合体，每一 层在e r 效应中都具有自己的功能。颗粒可以是两层或多层包覆，最外两 层控制e r 效应，最里面的一层包括核心部分( 可以是任何具有低密度或 空心材料) 控制复合材料的密度，次外层是高导电材料。如果是在直流场 中，最外层应是具有较好电稳定性、高抗击穿强度、有一定电导率的材料。 若在交流场中使用时，最外包覆层应是具有高介电常数、高电击穿强度和 高电稳定性的材料。根据他们的预测，在外加电场为5 k v m m 。和体积分 数为o 4 时，多层包覆颗粒的e r 剪切应力可高达2 9 k p a 。c o n r a d 等理论 的提出为设计具有优异性能的e r 材料提供了很好的理论基础。实验结果 说明当颗粒外包覆一层聚合物时，颗粒的沉淀性能得到改善，多层包覆有 利于得到高剪切应力的e r f 。t a m 等合成了两层包覆( n i 加最外层t i o ，) 玻璃球( 直径5 0 , u m ) ，其分散在硅油形成的悬浮液( 庐= 0 2 ) 在外加电 6 华侨大学硕士学位论文 第1 章引言 场2 2 5k v m m “时，e r 剪切应力比未包覆玻璃球高两个数量级，理论上 是固体t i o ，颗粒的2 5 倍左右。有机无机杂化材料有n i ( a i ) p m m a ( 聚 甲基丙烯酸甲酯) 复合物、m g ( o h ) ：聚( 甲基苯基硅氧烷) 、稀土金属t i o ， 复合体等。苯乙烯一丙稀腈一粘土复合颗粒在电场存在时表现出很高的剪 切应力。但是，分散在主体油中的包覆材料经常在最外层发生电击穿。为 了避免击穿，最有效的方法是在交流电场时增加最外包覆层的介电常数， 在直流电场时选择具有合适的电导率的包覆层。第二种方法是增加包覆层 的厚度。然而，最外包覆层的电导率太大容易导致主体油的电击穿：包覆 层太薄会降低e r 效应。虽然核壳结构包覆材料存在上面的缺点，但复 合颗粒可能兼有两种甚至多种材料的优点使其成为最有发展潜力的e r 材 料。 ( 5 ) 巨电流变榭料 图1 ig e r 悬浮液中的纳米颗粒照片：a 包覆纳米颗粒的t e m 图，最外层为脲包 覆层；b 外加电场2k v m m “时g e r 液体的光学显微镜照片，颗粒沿电场方向排 列成柱：c 显示b 图中某区域放大，箭头处显示颗粒间光滑的交界面 f i g u r e 】i m a g e so fn a n o p a r t i c l e s i ng e rs u s p e n s i o n s a t e mi m a g eo fc o a t e d n a n o p a r t i c l e s u r e ac o m i n g s8 r ec l e a r l ys e e n b o p f i c a lm i c r o s c o p ei m a g eo fas a m p l e p r e p a r e di ne p o x y s o l i d i f i e du n d e ra na p p l i e df i e l deo f 2k vn 一1 c o l u m n sa l i g n e d a l o n gt h ef i e l dd i r e c t i o na r ev i s i b l e c t e mi m a g eo fas e c t i o no ft h ec o l u m ns h o w ni n b ，t h ea r r o w si n d i c a t eo b eo f t h ef l a r e n e di n t e r f a c e s 香港科技大学物理系温维佳博士、沈平教授等与中科院物理所陆坤权 研究员合作，在e r f 研究方面获蓖要突破1 “1 ，成功地研制了一种全新的 具有巨电流变( g i a n te l e c t r o r h e o l o g i c a l ，g e r ) 效应的电流变液体，它由 一7 华侨大学硕士学位论文 第1 章引言 表面包襄有尿素薄层的( b a t i o ( c ：o 。) ：) 纳米颗粒与硅油混合而成，包 裹在b a t i o ( c ：o 。) ：纳米颗粒外层的尿素是种具有很大电偶极矩的材 料，可以取代水的作用成为一种“永久”性的包裹材料，从而增强e r 效 应。这种材料能克服水分子易被击穿、温度稳定性差等缺点，使其具有实 用性。图1 1 为g e r 液体中纳米颗粒的t e m 图以及在外加电场时悬浮液 中的颗粒沿电场排列的情况。 1 1 2 电流变效应的机理研究 近几年来，电流变响应的本质已有大致的轮廓，然而，有些关键性的 特征尚不清楚，仍有一些争议。 ( 1 ) 电流变微观结构理论 根据近年来e r f 的文献和专利申请，目前关于电流变微观结构理论主 要有三大机理，即：( 1 ) 粒子相互作用和场致纤维化理论，( 2 ) “水桥”理 论，( 3 ) 逾渗理论。 粒子相互作用和场致纤维化理论即极化理论认为：e r 效应是某些具 有固有规律的系统在电场下显示集中结构的行为，在电场作用下，粒子从 分散状态集中到电极之间，建立树枝状机构连接电极，当有剪切流动时， 此结构不停地被破坏和重建，实际上形成了一种体系结构破坏和重建的动 态平衡。基于极化机理，研究者推导出被广泛接受的静电极化模型、界面 极化模型、颗粒极化模型、双电层模型和电导模型。 “水桥”理论的支持者认为：e r 效应主要来源于悬浮液中水分子的 相互作用，其基本内容是：在电场作用下，粒子极化后自由离子迁移，水 由于电渗透作用亦随自由离子到达粒子两端，相邻粒子表面上的水分子通 过毛细管作用在粒子间连接形成“水桥”，这就促使粒子紧密联系在一起， 宏观上呈凝胶态，电场消失后，水分子“退回”到粒子中，“水桥”亦消 失，悬浮液恢复流动状态。静电模型认为一定含量的水或其他性能可提高 粒子的介电常数、加速离子迁移和偶极子的排列，从而增加粒子的诱导偶 华侨大学硕士学位论文第1 章引言 极。在讨论静态屈服应力与电场强度的关系时，“水桥”机理预测为一次 方关系。 渗透阈值学说认为：电流变固体粒子之间的相互作用及其作用范围对 电流变行为有很大影响。并认为水及其它有助于电荷分离( 即极化) 的活 性剂是电流变流体不可缺少的组成部分，因为水或活性剂可促进离子的迁 移( 迁移的离子或者来自粒子