（固体力学专业论文）电流变液聚集过程的研究.pdf

摘要 电流变悬浮液，典型地，由绝缘或微弱导电的粒子分散于一绝缘的液体中组 成的当暴露于一个外部电场中时，发生了剧烈的，可逆的转变。当电场强度为 1k v l m m 时，其表面粘度能增大几个数量级，并且同时产生粒子柱。虽然其瞬时转 变性质的电装置有很多应用，但是其进一步发展受到了缺乏合适的电流变液体材 料和对根本机理的不完全理解的限制。 在本文中，我们采用蒙特卡罗方法成功的模拟了电流变液体在电场作用下， 固体粒子极化成为电偶极子后，在彼此间的静电相互作用下，迅速聚集成链或柱， 形成了稳定结构的过程。这一成功的模拟，不仅为我们今后进行分数维计算打下 了坚实基础，而且为我们制备电流变液体提供了一定的启示作用。 关键词：电流变液粒子聚集蒙特卡罗方法 a b s t r a c t e i e c t r o r h e o i o g i c a i ( e r )s u s p e n s i o n s 。t y p i c a ii yc o m p o s e d o f n o n c o n d u c t i n g o rc o n d u c t i n gp a r t i c i e sd is p e r s e di na ni n s u i a t i n gi i q u i d u n d e r g o d r a m a tio r e v e r sibie c h a n g e s w h e n e x p o s e d t oa ne x t e r n ai e i e c t r i of i e i d a p p a r e n ts u s p e n s j o nv ；s o o s i t i e sc a ni n c r e a s es e v e r a i o r d e r so fm a g n i r u d ef o re i e c t ri cf i e l ds t r e r l g t h so ft h eo r d e ro f1k v 舢。，w i t hs i m u i t a n e o u so r d e r i n go ft h em i c r o s t r u c t u r ei n t op a r t i c u i a t e c o i u m n s w h i i a t h ise i e c t r i cc o n t r o io fm o m e n t u m t r a n s p o r ta n ds t r u c t u r e h a sm a n ya p p ii o a t i o n s d e v e i o p m e n t is s e v e r e l yi n h i b i t e db ya i a c ko f s u i t a b i em a t e r i a isa n da n i n c o m p l e r eu n d e r s t a n d i n go ft h eu n d e r i y i n g m a c h a n is m i nt h isa r t i c i e w eu s em o n t ec a r i ot e o h n i q u as i m u i a t et h ep r o c e s s t h a ts o ii d p a r t i c i e sp c i a r i z e d a s d i p c i a rp a r t i c i e s a f t e r e i e c t r o r h e o i o g i c a if i u i du n d e r g oa na p p ii e de x t e r n a ie i e c t r i cf i e l d a r ee f f e c t e dt oe a c ho t h e r a g g r e g a t e r a p i d i yi n t oc h a i n so rc o i u m n s a li g n i n gw i t ht h ee x t e r n a i f i e i d a n df o r ma s t e a d ys t r u c t u r e t h is s u c c e s s f uisim uia tio nc a nn o to niy p r o v i d e t h ef o u n d a t i o nf o rt h en u m e r a t i o n o f f r a e t i o n a ld i m e n s i o n b u ta l s odir e c tu st o p r e p a r e m a t e riaisinas e n s e k e yw o r d ：e i e c t r o r h e o i o g i c a if i u i dp a r t i c i aa g g r e g a t i o n m o n t ec a r i ot e c h n i q u a 论 电巍蔓 莨体 绪论电流变液体 1基本介绍 电流变技术是近年来研究高新材料技术的热潮之一 1 。它是指将电流变效 应或电流变现象( e i e c t r o r h e o i o g ；c a je f f e c t 或e j e c t r o r h e o i o g j c a j p h e n o m e n o n ) 成功地应用于工程实践的项技术。它所涉及的内容包括电流变效 应的机理，电流变液体材料及电流变液体效应的工程应用。 电流变技术的物质基础是电流变液体，它在电场作用下能够呈现强烈电流变 效应。电流变技术的理论基础是电流变效应。电流变效应是指某种特殊液体，在 电场作用或控制下，表征液体流动属性的粘度，在一定的剪切速率下，可发生明 显变化的现象，而且这种变化是可逆的、连续无级的和可以控制的。这种变化能 够使可流动的液体变稠、变硬直至停止流动，达到凝固：并且使此时的液体具有 固态的属性，即保持形状或具有明显的抗剪切屈服应力出现，或者表示固体特征 的弹陛模量有明显的变化。而当电场消失时，电流变液体立即变稀，恢复原来液 体状态。电流变效应的这些特征，为它在工程应用中提供了广阔的前景。 电流变技术的工程应用指利用电流变效应的特点和传统的机械设计方法，去 开拓某些为实现规定功能的新装置和新产品。值得注意的是，开发利用电流变效 应而构思的产品，必须充分考虑到电流变效应以及其工作介质电流变液体的 某些特殊条件。 电流变技术作为一类新兴的高新技术，主要是由于电流变液体在电场作用下 所产生的电流变效应具有如下特点： 可使电流变液体在液态和固态之间快速转换，或者在液体属陛和固体属性 间快速转换。其特征是在静态和低剪切速率下表观粘度可大幅度的变化，此时液 体的流动性能可逐步固化，而达到停止流动，并具有属于固体属性的抗剪切能力。 这种在液态和固态之间的转换是可逆的。 这种在液态和固态之间的转换是可控的，即可用一个简单的电场信号予以 控制。 这种在液态和固态之间的转换，其表观粘度的变化随场强的不同可作无级 的连续变化。 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， 即控制相变的能量极低。 这种由电场控制的在液态和固态之间的转换，其晌应速度极高，一般为毫 秒级，即千分之一秒级。 电流变效应的这些特征，使人们看到这种效应极有可能应用于振动中的阻尼 i 论 电藏熏蒗体 无级调节和控制；传动中转速、扭矩和力的无级调节和控制：运动中位置的精确 控制；高速响应的开关控制，以及液压传动中的流量控制和压力控制等。并且在 这些应用领域，迅速形成一种工作原理全新的高新技术，开发一系列新的产品， 并推动这些领域的技术进步和发展。 从工程技术角度讲，利用电流变效应在上述领域开发出来的新产品，一般具 有如下特征：使控制和调节具有无机连续变化的性能：主要工作构件无磨损、寿 命长；工作柔和、噪音低；响应速度快；结构简单；控制的能耗低；易于与计算 机技术相结合，形成智能化的控制。 因此，利用电流变效应开发的新产品和已有的产品相比，可在性能上、制造 上、使用上以及价格上有明显的优势和市场竞争能力。 由于电流变效应的以上特征，以及其广泛的应用领域和市场竞争中的明显优 势，人们充分认识到电流变技术是一门有应用前景和市场价值的高新技术。这就 是2 0 世纪8 0 年代和9 0 年代世界上许多先进的技术大国竞相投入大量的人力、 物力从事电流变技术的基础研究，以及电流变技术的工程应用研究，并力促电流 变技术开发的产品尽快商品化、产业化的原因。 但是，自从人们大规模开展电流变技术的科研工作和产品开发以来，已有半 个世纪，其间虽有起有落，整个工作不断前进，但至今仍然没有一项产品进入市 场获得效益。究其原因，是在于高效能的电流变液体还没有研制出来。因为工程 应用的现实对电流变液体的要求非常苛刻( 在下面的介绍中可以看到) ，任何一 点达不到要求都难以使一种新产品走上市场( 市场( 即用户) 才是真正推动技术 发展的动力) 。而设计研制高性能的电流变液体的关键在于对电流变效应的机理 的正确理解。 机理研究的目的在于揭示电流变效应的原理，找到产生和影响电流变效应的 各种因素，为指导研制高性能的电流变液体指明方向和提供依据，从而使电流变 液体的开发和研制目标适应工程应用的要求。 下面将简要的介绍电流变液体以及在下一章中介绍电流变效应及其机理。 2 电流变液体简介 电流变液体( e i e c t r o r h e o i o g i c a lf i u i d s ) 是指在电场作用下能够呈现强 烈电流变效应的一类特殊液体。目前可以产生电流变效应的电流变液体有很多， 但是只有那些性能优良、工作稳定、寿命长，且能够全面满足工程应用要求的电 流变液体才具有工程应用价值，而这样的液体目前人们正在努力寻找中。 2 i 电流变液体的组残及分类 目前普遍应用的电流变液体，主要应是两相多组份的悬浮液。它主要是由以 下几部分组成：即一，作为分散相的固体粒子：二，作为分散介质的基础液；三， 捌 论 电流麦液体 为了改善电流变液体的性能而加入的添加剂，其中包括促进电流变效应的表面活 性剂和防止粒子聚集的分散剂及防止国体粒子沉淀的稳定剂等。 ( 1 ) 电流变液体中的固体粒子在电场作用下的极化，是电流变液体产生电 流变效应的核心。因此，固体粒子材料的化学性质和物理性质，对电流变液体的 性能优劣起着决定性的作用。根据电流变效应的机理研究结论，在选择固体粒子 的材料时，一般应遵循以下原则，或满足以下要求，即：粒予应有足够高的相对 介电系数e 。；粒子材料应有较恰当的电导率；粒子材料应能在足够宽的工作范 围内保持稳定的性能；与基础液相适应的比重；适当的粒子大小和合理的粒子形 状；稳定的化学性能和物理性能；耐磨、无毒和对其接触材料的无腐蚀性。 虽然根据目前的报道能够产生电流变效应的固体粒子很多，但能满足上述苛 刻要求的粒子材料却有限。目前常用的固体材料有：金属氧化物，无机化合物中 的硅铝酸盐，有机高分子化合物( 包括各种天然和人工合成的聚电解质物质) ， 有机半导体以及由金属导体和绝缘膜覆盖的复合材料。 ( 2 ) 电流变液体中的分散介质基础液，是电流变液体中固体粒子的载 体，并且是电流变液体的重要组成部分，它对电流变液体的性能有重大影响。 基础液的作用是将固体粒子均匀的分散在其中，这种分散作用能保证在零电 场时，使电流变液体仍保持牛顿流体的特性，而在有电场时，则使固体粒子在其 中形成链化的结构，产生抗剪屈服应力，并使电流变液体呈现弹塑性( b i n g h a m ) 流体的特性。总之粒子的分散状态和在电场作用下的成链状态都是在基础液中形 成的。 但是，基础液并不是单纯为固体粒子起分散作用，更重要的是电流变液体的 电流变效应，是电场作用于基础液和固体粒子所形成的两相悉浮液的整体行为。 从极化的角度来看，基础液的介电系数应远远小于固体粒子的介电系数 ( e 。一e ，的差值越大，则电流变效应越强) 。也就是说，在材料介电系数一定的 情况下，基础液的介电系数越低越好。而且，从实用的角度出发，对基础液的要 求如下：选择低于固体粒子介电系数的基础液；具有低的电导率或高的电阻；具 有较高的击穿电压；基础液应该具有高的沸点和低的凝固点；低的粘度；尽可能 大的密度：有良好的化学稳定性；有良好的疏水性；无毒和价格低廉。 常用的基础液有以下几种：矿物油，如变压器油，开关油，电容器油，石蜡 油等；合成油，主要是各种硅油，如甲基硅油，二已基硅油和苯甲基硅油，以及 十二烷基苯，三氯联苯等；植物油，如甘油和蓖麻油等。 ( 3 ) 添加剂是电流变液体的第三个组成部分。它在改善电流变液体的性能 方面起着很重要的作用。一般在电流变液体中加入添加剂的目的是：一，吸附于 粒子表面的表面活性剂，能提高粒子的介电系数，增强粒子的极化能力，促进电 流变效应的加强；二，利用添加剂改善基础液与固体粒子表面间的“润湿”性能， j 论 电流吏 蠢体 良好的润湿性可提高粒子在基础液中分散的均匀性，因为润湿好，粒子之间的粘 接少，在零电场时不会自动地凝聚，可提高粒子在基础液中的分散性；三，利用 添加稳定剂，以防止粒子的沉淀。因为常用的稳定添加剂是“立体式”的，它能 够增加悬浮粒子的稳定性，使粒子不沉淀也不絮凝，使电流变液体处于一种凝胶 态，即粒子与基础液形成一个亚微粒群，在粒群的空隙间含有大量的基础液。 目前，常用的表面活性剂有离子型表面活性剂，非离子型表面活性剂和两性 表面活- 性剂三种。但很少使用两性表面活性剂。表面活性剂具有增溶、润湿、渗 透以及分散和絮凝作用。它能够增强电流变效应和粒子的分散性及悬浮液的稳定 性。最常见的表面活性剂有：油酸盐、山梨醇、甘油、二乙胺、低分子量的聚酰 胺、琥珀酸酰亚胺、聚二甲基硅氧烷等硅( 酮) 类表面活性剂及苯酚盐、磺酸 盐、磷酸盐等。 常用的稳定剂则包括嵌段共聚物和接枝共聚物。对于嵌段共聚物来说，一个 嵌段形成与基础液不相溶，但与粒子表面相吸附形成锁链，另一个嵌段溶于基础 液中产生一个“立式”稳定阻挡层。而接枝共聚物则不同，其共聚物的长主链形 成铰链以吸收粒子，侧链则溶于基础液中，将粒子稳定于基础液中。 添加剂在电流变液体中含量极少，般低于5 ，而稳定剂的含量则更少， 一般只占粒子重量的0 0 5 一0 0 3 。 目前，国内外报道的电流变液体的数量很多，但大致可按如下方法分类： ( f ) 根据体系是否含水 含水的电流变液体这种电流变液体的电流变效应对水有很强的依 赖性，因而造成这种电流变效应的工作范围受到温度的限制，因为温度高千 1 0 0 0 c ，水将蒸发和汽化，在温度低于o o c 时，水将结冰，这都将导致电流变效应 的消失。 不含水的或无水的电流变液体这种电流变液体的组成成分中基本 不舍水，因而工作范围不受因含水而构成的影响，其工作温度范围较宽，可超过 1 0 0 。c 和低于0 0 c 。 ( 2 ) 根据体系的组成情况 单相的电流变液体包括单一成份和多种成份、均匀的液态或溶 液，其中比较具有实用价值的是单向均匀的液晶。 两相的悬浮液体一般是由固体粒子悬浮在基础液中的两相悬浮液 体，其中的粒子可以是单一组份的，也可以是多种组分的和复合材料的，甚 至可以是不同组份的多种粒子构成的两相悬浮液。目前大部分性能良好的电 流变液体都是两相悬浮液。 ( 3 ) 根据体系中所含固体粒子的成份不同 舍有无机化合物固体粒子的电流变液体其中的无机化合物包括： 绪论 电流，j 襄体 金属的氧化物，硅铝酸盐、碳酸盐和钛酸盐等构成的粒子。这类无机化合物 一般为离子晶体型化合物。离子晶体型化合物是一种极易极化的物质，是作 电流变液体固体粒子的理想材料。 含有有机化合物固体粒子的电流变液体 其中又包括两类：一类为 在大分子场链上含有极易被极化的极性基团的高分子有机化合物。这类化合 物大都属于聚电解质类物质，也就是在分子链上带有许多可解离的基团的高 聚物，这类基团一般是易被极化的极性基团，如羧基。另一类是具有大n 键 电子共轭结构的有机化合物，这类化合物在电场中会发生强烈的极化，其介 电系数很高，是良好的电流变液体固体粒子的材料，且属于电子导电型材料。 含有由复合材料构成的固体粒子的电流变液体这是一种由两种以 上材料作成的固体粒子，一般粒子的芯部由导电性能良好的金属材料作成， 芯部可以是实心的或空心的球状粒子，外部包敷( 或采用镀膜技术) 一层绝 缘的或介电性能良好覆盖层( 或膜) 所形成的复合材料粒子。这种粒子往往 具有良好的极化性能，且可以控制粒子的密度或介电性能，可获得性能较理 想的电流变流体。它是近期电流变液体固体粒子材料的一个新发展方向，其 中的一个示例是铝粒子外面包一层绝缘膜。 同时含有电极化性能和磁极化性能的电磁流变液体这是电流变 液体发展的一个新的动向，为了强化电流变液体的流变效应，可以在电流变 液体中应用电极化同时又可磁极化的粒子材料，使这种电磁流变液体，既能 承受电场的作用产生电流变效应，又能同时承受磁场的作用产生磁流变作 用。这两种场同时作用于该流体时，能够获得更佳的流变效果。一种示倒是 铁粒子外面包敷一层二氧化钛绝缘层所构成的粒子。 2 2 电漉变液体的性能要求 理想的电流变液体，其性能应能满足如下的要求： ( 1 ) 应方识露的虐蔚望i 我：应即在电场的作用下，应能产生尽可能高的电 致屈服应力，这样在低剪切速率时液体的表观粘度就可能有明显的增加，或液体 的抗剪切屈服应力有明显的增加。目前从粘度的角度看应能使电流变液体从液态 转入固态，抗剪切能力越高越好，取消电场后，能立即恢复无电场时的粘度或性 能，无迟滞现象发生。 ( 2 ) 迓：副曰纪犹杏的詹场强度应篷琚越炉过高的电场强度会使电流变液 体被击穿，在两极间产生放电现象，会使电流变液体的成份发生化学变化，从而 变质，影响使用寿命。一般电场强度不超过3 5 k v 嗍。 婚、基础液体的绝缘性越高越盎孑或它的电导率越l 乐越好訾它与分散枢形 成电流变液体时，相应的导电率也应较低，这样一方面可以通过提高施加的电场 强度提高电流变效应，同时也由于液体的电导率低，通过两极间的电流小，因而 !兰!兰兰苎兰 在同样的电场强度下，控制电流变效应所需的电功率可以降低，这对于工程应用 无疑是极为重要的。 ( 4 ) 詹流变谨绣钐纪学烂廓茁4 - 分寤启 对各种外界条件，如温度、湿度、 长期储存等不应敏感，使它在长期使用和贮存过程中性能保持稳定，不发生退化、 变质。 l 电流变液体的基础液的比重最好畿s 固体粒子接近谴精同以鞴虹悬 浮于基础液体中的分散相粒子的过快沉淀，或延迟分散相沉淀所需的时间，使电 流变液体的物理性能和电流变性能保持稳定。 ( 6 ) 詹漉萤磁7 爷应该是石霉矽以保证使用中工作人员的人身安全。 另 外也不至于在发生泄漏或检修产品时造成严重的环境污染，影响电流变技术大面 积在工程应用中的推广。 、电流变液体应易于大批薰生产翻造而叠价格低廉。 ( 8 ) 詹游变茄触最炉是无水曩钎早期的电流变液体，为了提高它的电 流变效应，固体粒子往往是含水的，但含水的电流变液体所带来的缺点是，降低 了液体的绝缘性，液体在较低的电场强度下可能被击穿。另外，含水的电流变液 体的使用温度范围有一定的限制。 ( 9 ) 鲁漉变谨z 舷无扈场结历蚴搿虚访尽量掰这样可以使电流变液 体有较宽的粘度调节范围，也扩大了其应用范围。 t 、0 、电流变液体应无腐蚀性 从电流变液体的工程应用中的角度考虑，还应注意以下问题： ( 1 ) 物理穗启烂电流变液体应具有一定的稳定性，不易发生由重力和 离心力引起的相分离。因为相分离产生的沉淀会降低液体的性能，堵塞电流变液 体装置中的流道，严重影响电流变液体装置的正常工作。严重的电流变液体相分 离甚至会导致电流变液体装置失效。 ( 2 ) 纪擎貉害烂电流变液体应具有一定的化学稳定性，即在高温或高 电压下不能发生化学反应，生成其他物质影响电流变液体的性能，甚至使它失去 电流变效应。 ( 3 ) 廓稽窟烂电流变液体的热稳定性包含两项内容：电流变液体可 以在很高和很低的温度下工作，而且在高温环境下能够长时间正常工作。目前， 电流变液体的工作温度范围仍然局限于- 5 0 0 c 一1 5 0 0 c 。 ( 4 ) 詹李 稽定烂电流变液体的电学稳定性包含两项内容：第一，电流 变液体应具有较高的耐击穿强度；第二，长时间通电状态下，电流变液体仍能保 持原有的性能，且不会导致电极上的化学反应。 ( 5 ) 祝掰稽蔗烂指电流变液体在剪切及摩擦状态下工作长时间后，仍 应具有原来的性能指标。即电流变液体中的粒子材料应具有一定的耐磨性。 6 j t 论 电流竞液俸 ( 6 ) 奄粤摹电流变液体的电导率过高会导致一系列的问题，例如 液体过热、能量消耗大，对电流变装置控制单元的电压要求提高，以及使用安全 性问题等。应恰当选择电流变液体的电导率。 ( 7 ) 腐锄烂如果电流变液体能够腐蚀电流变液体装置以及金属电 极板，那么这种腐蚀不仅会破坏电流变液体装置以及电极板表面，而且还会污染 电流变液体自身，使电流变液体的性能降低，并且进一步影响电流变液体装置的 正常工作。 ( 8 ) 霉烂及环绣? 磔烂当电流变液体由于密封问题发生泄漏时，如果电 流变液体具有毒性，则电流变液体装置使用者的安全便会受到威胁。 3本文的创新之处 本文正是基于机理研究的目的( 揭示电流变效应的原理，找到产生和影响电 流变效应的各种因素，为指导研制高性能的电流变液体指明方向和提供依据，从 而使电流变液体的开发和研制目标适应工程应用的要求) ，试探性的研究了电流 变液体在电场作用下从液态转换到固态这一过程，采用m o n t e c a ri o 模拟方法在 计算机上模拟了固体粒子的聚集过程，得到了粒子聚集后的形态分布。 1 采用了将动力学因素引入到电流变液体固体粒子的具体聚集过程中，得 到粒子瞬时聚集的全过程和聚集后形成的结构。在这里，我们考虑的动力学因素 主要是电流变液体在电场作用下，介电粒子极化成为电偶极子，在电偶极子之间 的静电相互作用。 2 采用了蒙特卡罗计算机模拟技术，在计算机上真实的再现了电流变液体 固体粒子在电场作用下的聚集过程和聚集形态。我们采用粒子在晶格上行走的方 式，研究粒子的聚集情况，这在以往的蒙特卡罗模拟中是没有介绍的。 3 采用了粒子聚集反应受限聚集( r l a ) 模型，以及能量极小化原则来研究 电流变液体固体粒子在电场作用下是如何聚集的，以及聚集后形成怎样的稳定结 构。粒子聚集反应受限聚集模式和以往的粒子扩散受限聚集模式( d l a ) 相比较， 引入了粒子的聚集受某种物理相互作用的限制，这比粒子只要相接触就聚集更符 合物理事实。且能量极小化原则则保证了粒子聚集结构的稳定性。 研究的结果表明了电流变液体固体粒子在电场作用下聚集成为链状，继而聚 集成柱状或束状，这同以往的分子动力学模拟只能得到固体粒子聚集成链状相比 较，有了明显的进步，这真实的反映了电流变液体在电场作用下的结构形成( 与 实验观察到的结果很好的一致) ，这为我们下一步的有关电流变液体稳定结构的 宏观性质的分维计算打下了坚实的基础，也为我们制备电流变液体提供了理论指 导。 电流吏效应及英机理 第一章电流变效应及其机理 1 1电流变效应 1 i ? 1 引言 电流变效应是发展电流变技术的基础和基本依据。自从电流变现象被发现以 后，人们一直致力于对它的机理进行研究和探索。从事机理研究的目的在于探明 为什么在电场作用下，以两相悬浮液为主的电流变液体，能够产生强烈的电流变 效应以及影响电流变效应的各种因素。从而制造出有强烈电流变效应的电流变液 体，使电流变技术的应用有可靠的物质基础和科学依据。 截至目前为止，对电流变效应的普遍解释是电流变液体在电场作用下，其分 散相( 固体粒子) 和连续相( 基础液或分散介质) 的极化。极化的粒子首先在两 极间成链状或成纤维状结构，链和纤维集聚成束或网状结构。这种粒子极化后的 成束结构，可导致电流变液体的变稠和固化，同时产生较强的电致力，使电流变 液体在莱一微小的变形范围内，呈现出类似固体所特有的特征，即应力的屈服值 出现在发生流动时的极限应力值，此值称为屈服应力。在电流变液体中，一般是 指抗剪切的屈服应力或剪切屈服应力。这种过程已为大量的试验和显微镜的观测 或录像所证实。但大量的研究也显示，电流变效应除了受电场影响外，也受到很 多其他因素的影响。这说明电流变效应是一个极为复杂的现象，不能单一的从电 场的作用来说明，但是电流变效应既然是一种电学行为，因此，研究的重点应是 电流变液体在电场作用下的电学行为。 171 2电流变效应的定义瓤特征 电流变效应是指某种特殊液体( 一般是指两相悬浮液为主的电流变液体) ， 在电场作用下，其流动状态( 一般是指表示其流动阻力的表观粘度) 和流体的属 性发生了强烈变化的现象。通俗的理解是指电流变液体在电场作用下，液体的表 观粘度( 或流体阻力) 发生了巨大的变化，甚至在电场强度达到莱一临界值时， 液体停止流动而达到固化，并具有保持流体自身形状或具有一定的抗剪切能力， 还表现出固体所特有的屈服现象。使电流变液体由液体的属性转为一种具有固体 属性的物体，其特点是在静态时产生抗剪切的屈服应力，这是一种很特殊的物理 现象，有时被人称作为电流变现象。 以上所述可作为电流变效应定义的描述。 电流变效应作为一种特殊的物理现象，一般具有以下特征，即： 电场的作用下，电流变液体的表观粘度可随场强的增大而增大( 或变稠) ， 甚至在某一种电场强度下( 场强e = w d ，即电压v 除以距离d 所得的比值) ，达到 停止流动或固化，但当电场消除后，电流变液体又可恢复到原始的粘度。这是电 电流竞效应及其机理 流变效应的第一特征，通俗的理解可认为是在电场作用下，电流变液体可在液态 和固态之间转换。 在电场作用下，电流变液体的属性由液态至固态的转换是可逆的。这是电 流变效应的第二特征，如果这一转换是不可逆的，则他的工程应用价值就会受到 极大影晌。 在电场作用下，电流变液体表观粘度随场强变化而变化的过程是连续的和 无级的，尽管这一变化规律不一定是线性的。 在电场作用下，电流变液体表观粘度的变化以及液一固间属性的转换是可 控的，这种控制可以是人控的或自动的。 电流变效应的控制+ 分简单，它只需要应用一个极易获得的场强信号( e ) 即可，由于场强是电压( v ) 和极间距离( d ) 的比值，因此，在极间距离不变的 情况下，改变电压即可获得连续变化的场强，或者在电压不变的情况下改变极间 距离也可获得连续变化的场强。电流变效应的这一控制特点，使它极易与微机技 术结合实现完全自动的智能化控制。 电流变效应对电场作用的响应十分灵敏，一般其响应时间为毫秒( m s ) 级。 控制电流变效应的能耗低，即由液态向固化的转化，不像物理现象中的相 变要吸收或放出大量的能量。 电流变效应的上述特征是工程技术人员赖以发展电流变技术在工程应用中 的科学依据，并深信能够在充分利用这些特征的基础上，开发出一系列性能优良、 价格低廉、有市场竞争能力的新产品。 1 ，i 3 有关电流变效应枫理的基本知识 由于电流变效应是电流变液体在电场作用或诱导下，使它的分散相( 固体粒 子) 和分散介质( 连续相、基础液) 产生极化现象后引起的。因此，电流变效应 的机理研究，应该首先从有关电介质极化的知识开始。 1 1 3 1 电导体和电介质 就物质的电学性质而言，根据其导电性能的不同可分为两类，即： ( 1 ) 瘩粤煞兹导触它的特点是有良好的导电性能，例如各种金属材料和 电介质。金属导体的电结构特征是在它的内部有可以自由移动的电荷，即自由电 子。将金属导体放在电场中，它内部的自由电子将受电场的作用而产生定向运动， 这一运动将改变导体上的电荷分布，而电荷分布的改变又将改变导体内部和周围 的电场分布。在外电场作用下，这种电荷和电场的分布将一直改变到导体达到静 电平衡状态位置为止，这时导体内部的场强为零。 只要有电场的作用存在，导体中的自由电子就将产生沿电场作用方向的运 动，因而在电场中不存在可被束缚的电荷，故导体中不可能产生类似电介质的极 化现象。 9 第一章 电流麦效应及j 机理 ( 2 ) 詹力质或绝缔结它是一种导电性能很差的物质。电介质的特点在于 它的分子中的正负电荷束缚的很紧，在一般条件下不能相互分离。因而，在电介 质内部能作宏观运动的自由电荷极少。由于理想的电介质内部没有( 或很少有) 可以自由移动的电荷( 即自由电子) ，因而不能导电，但把电介质置于电场中时， 它也要受电场的影响，同时也影响电场。但与导体不同，在静电平衡时，电介质 内部可以存在电场。 电介质由许多分子组成，而每个分子是一个复杂的带电系统。其中有正电荷 ( 质子) 和负电荷( 电子) 。正、负电荷分布在一个线度为1 0 。m ( 1 a ) 数量级的 体积内，而不是集中在一点上。但是在考虑这些电荷离分子较远处所产生的电场 时，或是考虑一个分子受外电场的作用时，都认为其中的正电荷集中于一点，这 一点叫做正电荷的“重心”；而负电荷也集中于另一点，这一点叫做负电荷的“重 心”。 对于一个分子来说，由于其正电荷和负电荷的电量相等，因而是电中性的。 但是正、负电荷的重心不一定重合，两个重心之间存在一定的距离，我们把这样 的分子叫做电偶极子。一般的电介质由大量的这种微小的电偶极子所组成。 电偶极子一般根据分子中正负电荷的电量q 和正负电荷重心间的距离i 不 同，而具有不同的电偶极矩，即： p = q i( 单位：库仑米( c m ) ) 电偶极矩u 的方向是由负电荷指向正电荷。 电偶极矩的单位是库仑米( c m ) ，但是对于原子、分子而言，这个单位 太大了。对于微观粒子而言，早期的著作中广泛采用德拜( d e b y e ) 作为电偶极 矩的单位，即： 1 d = 3 3 3 x 1 0 一飞m 这实际上是把一个电子的电量( 1 6 x 1 0 “9 c ) 与分子中正、负电荷的距离 ( 1 0 “一1 0 1 0 m ) 乘积的数量级作为电偶极矩的单位。 根据组成电介质分子中的电偶极子的电偶极矩的大小不同，可把电介质的分 子分为两大类：即极性分子和非极性分子。 极性分子：它是指这样一类的电介质分子，即在正常的情况下，分子内部电 荷的分布是不对称的，因而其正、负电荷的重心不相重合，即重心间的距离i 不等于零，此时这类电介质的分子具有固有的电偶极矩q i 。我们称这种电介 质分子为极性分子。 非极- 性分子：是指这样一类的电介质分子，即在正常的情况下，分子内部电 荷的分布是对称的，因而其正、负电荷的重心重合，即重心间的距离l 等于零， 这种电介质的分子就没有固有的电偶极矩。我们称这种电介质分子为非极性分 电流竞藏应及其机理 子。但如果把非极性分子置于电场中时，则由于外电场的作用，重合的正、负电 荷的重心会被分开一个距离i ，因而使非极性分子也具有了电偶极矩，这种电 偶极矩称作感应电偶极矩。 由非极性分子组成的电介质称为非极性( 中性) 电介质，由极性分子组成的 电介质称为极性电介质。 一般单元子分子和相同原子组成的双原子分子以及对称结构的多原子分子 都是非极性分子，而由离子键结合的分子一般为极性分子。 此外，原子在分子中空间排列的相对位置也影响分子的极性。例如，c o 。和 h ：0 ，从分子式来看似乎有类似的结构。其实不然。c 0 ：具有对称分布的结构，电 偶极矩等于零，为非极性分子；h 。o 具有等腰三角形的结构，两个h - o 尖尖的夹 角约为1 0 4 0 ，为强极性分子。 所有碳氢化合物都是非极性和弱极性的电介质，但如果其中的氢原子为卤族 元素或o h ，n h 2 ，n o ：基团所代替，就成为一种极性电介质。其它用于绝缘技术中的 有机绝缘材料均为非极性或弱极性材料。 当将均匀的电介质放到静电场中时，它的分子( 极性或非极性的) ，将受到 电场的作用在内部发生变化，但最后此作用也会达到一个平衡状态，并且产生一 种与导体在电场作用下完全不同的现象，为电介质所特有。这种现象的特点是， 在电介质的内部虽然正、负电荷的电量仍然相等，对外表现为电中性，但是在电 介质的两个与外电场方向相垂直的表面上却出现只有正电荷和只有负电荷的两 个电荷层。这种向两极集中并出现在电介质表面的不同电荷叫做束缚电荷或极化 电荷。这种电荷不像导体中的自由电荷那样能离开电介质转移到其他物体上去， 也不能在电介质内部自由运动( 即这些电荷既不能离开电介质，也不能在电介质 中自由移动) 。在外电场作用下，电介质表面出现束缚电荷的现象，称作电介质 的极化。这是电介质独有的电学性质，也是电流变效应机理的核心内容和要重点 研究的问题。 目前，电流变液体的分散相( 固体粒子) 和连续相( 分散介质或基础液) ， 都是由绝缘性能良好的电介质组成。他们在电场作用下的极化乃是电流变效应的 本质问题。 就物质的导电性而言，除了电导体和电介质以外，还存在着半导体和超导体。 半导体的性能介于导体和电介质之间，因而在一定条件下可以产生极化现象，并 可以作为电流变液体的分散相粒子的材料。 就评价物质导电性能好坏的电阻率而言，电介质的电阻率为1 0 。一1 0 ”q c m ， 导体的导电率为1 0 一一1 0 。2 q c m 而半导体的电阻率为1o - 2 1 0 。q c m 。 电流变液体的分散相( 固体粒子) 和分散介质( 基础液体) 都是绝缘性能良 电流j ：效应a 其机理 好的电介质。电流变效应是指是电流变液体在电场作用下，产生极化的一种特殊 现象，下面将作详细描述。 1 1 3 2 电介质的电极化强度和极化率 当把一个均匀的电介质，置于一个电场中时，电介质中的分子将受电场的作 用而发生极化。 电介质在电场作用下的极化强度可用电极化强度p 来表示。 电极化强度p 的定义是指电介质单位体积a v 内，产生的感应电偶极矩u 的 矢量和，即： p ：1 i m 量兰 p 斗o v 式中，u 为极化粒子的感应电偶极矩( 单位为c m ) ；a v 为单位体积( m 3 ) ；p 为极化强度( c m 2 ) 。 设电介质单位体积内有n 。个极化粒子，每个粒子极化后的感应电偶极矩为 u ，则上式可写为： p = n o u 如果粒子的极化时均匀和线性的，则感应电偶极矩与电场强度成正比，即： u 2 qe 式中，e 是作用在各原子、分子或离子等微粒上的局域电场，亦称有效电场( 单 位：v m ) a 为比例系数，称作原子、分子或离子等微粒的极化率，其单位为 f m 2 - a 是表征电介质中粒子极化程度的一个重要微观参数。因此，电极化强 度也可表示为： p = n o ae 此外，从电介质的宏观角度来看，电极化强度p 与电介质中的宏观平均电场 e 有如下关系，即： p = x o e = ( e ，一1 ) o e = n oae x 被定义为一比例常数，亦称为极化系数，它是一个纯数，无因次；e 。为真空 介质的介电常数。 a 和x 都是表明电介质极化程度的一个参数，前者是微观的，后者是宏观的。 从上式我们还可以得到电介质的相对介电系数e ，与宏观参数( x e ，e ) 、 微观参数( a ，n o ，e ) 的关系为： ，= 1 + n o 础 e 占o ，= 1 + x 在电场作用下，不问粒子的极化应是不同的。 1 1 3 3 极化电荷及其建立的电场 第一章电流竟效应及其机苎 _ 一 ( 1 ) 叛纪詹衙及遢叛纪詹场以电介质极化所产生的感应偶极矩作为场源，在 电介质外部空间( 真空中) 和电介质内部都建立了电场。 如果电介质的体积为v ，在v 内，位于r 处的体积元d v 中的感应偶极 矩为p ( r ，) d v ，则它在电介质以外的场点r 处形成的电位d 巾，为 = 去簖篙州2 去华州 式中，r 。表示r 方向的单位矢量。整个体积v 内的感应偶极矩在场点r 处形 成的电位可应用叠加原理，对上式积分可得 r ) - 去，华d v j ”2 ) 根据标量函数的梯度，有 s 俐去坷去= - 引 等 。， 式中，v 是作用于不加撇的坐标的，v7 则是作用于加撇的坐标的。将式( 卜3 ) 代入( 卜2 ) 可得： 中p ( r ) 2 去m r v i l dv ( 卜4 ) 根据散度的基本性质 d i v 去p ( r ) = v 去p ( r ) = 去v p ( r ) + p ( r7 ) v 去 ( 卜5 ) 将式( 1 - 5 ) 代入( 卜4 ) 有 州加1 4 昭。肌竿n 去l 譬掣删 卜e ， 对上式右端第一项应用式( 1 5 ) 散度定理可得： 丽l 肌竿肚去t 竿俐2 4 腮1 。也，华俐， 式中a 为体积v 的界面，d a 为其面积元矢量，d a ”为它的模，n o 为d a 外法线方向的单位矢量元矢量。 将上式与( 1 - 1 ) 比较可以看出：p ( r )f l o 是电介质表面某处d a 上或r 处的面电荷密度，这个电荷是由电介质极化产生的。因此是面极化电荷密度，以 0 。( r ) 表示，于是可以写为： 0 。( r ) = p ( r )n 哇p ( r ) c o s0 = p ( r )( 1 8 ) 式中0 是p 与n 。的夹角。以上关系表明，电介质表面某处( r ，) 面极化电荷密度 第一幸 电流吏效应a 其机理 o 。( r ，) 在数值上等于该处极化强度p ( r ) 在外表面法线方向( n o 方向) 上的分 量p 。( r ) 。 将式( 卜6 ) 右端第二项与式( 1 - 1 ) 比较可以看出：一v p ( r ) 是电介质 内部r 处的体电荷密度。同样，这个电荷是由电介质极化而产生的，因此是体 极化电荷密度，以p 。( r ) 表示，可写为： p 。( r7 ) = 一vp ( r ) ( 1 9 ) 上式表明：当极化强度p 随空间位置发生变化时，在电介质内部有极化电荷产生。 在均匀极化的电介质中p ( r ) 是恒量，因此p 。( r7 ) = o ，这时电介质体内不存在 极化电荷。 以上分析表明，电介质极化既感生表面电荷，又感生内部电荷，显然这两种 极化电荷都会是束缚电荷。极化在电介质中感生极化电荷和在电介质中感生偶极 矩是同一物理事实的两种表现。面极化电荷密度、体极化电荷密度与极化强度一 样也是表征电介质极化的物理量。式( 1 b ) 和式( 1 9 ) 分别表示了他们之间的相 互关系。 将式( 1 8 ) 和式( 1 9 ) 代入式( 16 ) 有： 州小去 蕾华俐+ f 半训 = 去c 曩争7 + f ，掣州 这时极化电荷在电介质外部建立的电位，其电场强度可写为： 吣，= 去c t 等黜+ l 鼍芦训 = 去c t 簪w + f 警训( 1 - 1 1 ) 电介质极化也可以用极化电荷来表征，这样就可以把体积为v 的极化电介质看 成是具有极化电荷的v 空间。因此v 空间内的电场与v 空间外的电场一样， 可以用式( 1 - 1 0 ) 和式( 卜1 1 ) 进行计算。 以上分析表明，电介质极化对电场的影响可以等效的用极化电荷在真空中建 立的电场来描述。 - - - j 惯上把极化电荷形成的电场称为退极化电场。 退极化电场的大小与电介质试样的几何性质有关，或者说与电极的几何形状 有关。对于平行板电极，若极板的面积为a ，极间距离为d ，且a 的线度远大于 d ，极板上充上电后，若忽略边缘效应，则可认为电极上电荷均匀分布，两极间 的电场为均匀电场，电场强度处处相等。如极板问充以各向同性的线性均匀电介 质，则电介质均匀极化，极化强度p 处处相等。由此可得体极化电荷密度p 。为 4 第一章 电流j ：藏应反其机理 零，即： pf vp = o ( 1 1 2 ) 根据式( 1 8 ) 可得面极化电荷密度o ，为： ofpn o = p c o s = 一p 即在紧靠极板的介质表面，面极化电荷密度在数值上等于极化强度p 的负值。这 表明介质表面的极化电荷与相邻极板上自由电荷符号相反，这是电介质中感应生 成的束缚电荷，极化电荷削弱自由电荷建立的电场，故称为退极化电场e ，。 根据( 卜1 1 ) 可计算退极化电场，但比较复杂，按照在真空中的高斯定理即 可得： e 。lo ，l p o ( 卜1 3 ) 由上式可见退极化电场强度e 。与极化强度p 成正比，但方向相反，如图1 1 。 = ：p ，确自出嗽嘶谚l ，j 楹化电确舒建 p i - _ ， 图1 1 平行板电场中电介质的极化电荷 对于各种开关的电介质试样或电极，其极化电场强度可由下式表示： e , = - n p e 。 ( 1 1 4 ) 式中n 为比例常数，称为退极化因子，通常n 1 平板试样的n = i 。图1 2 中给 出了几种不同形状的电介质试样的退极化电场。 电流竞效应及其机理 e = e 0 + 已 ( 1 1 5 ) 式中e 。表示自由电荷在真空中建立的电场。显然e 大于e o 。 ( 3 ) 局域直场与退叛纪直场极化电源在电介质内部引起的电场实际上远非 以上讨论的那样简单。电介质内部充满着极化粒子，不能把它看成是连续的媒介。 极化场源作用在极化粒子上和粒子之间的局域电场不相等，因此不能直接用极化 电荷建立的电场，即退极化场来描述，当然他们之间必然存在着联系。 考虑局域电场和退极化电场之间的关系，仍然必须从静电场的基本规律出 发。静电场守恒的特点，即电场强度线积分与路径无关的性质，对于电介质内部 局域电场仍然是适用的。若取电介质中某两场点0 和0 ，e ，沿任何路径l 从0 到 0 的线积分等于该两点的电位差，即： ，。e l = 巾。一中。 ( 1 16 ) 式中由。和由。分别为0 和q 点的电