电流变体智能材料在交变电场下的透光性能研究

1、刘彦菊 ,张博明 ,冷劲松 ,王殿富(哈尔滨工业大学复合材料研究所 ,黑龙江 哈尔滨 150001)摘 要 : 电流变体作为智能材料作动器的一种 ,在外加电场的作用下 ,其材料性能会发生显著的变化 。本文主要研究了二氧 化硅/ 淀粉复合颗粒电流变体在交变电场作用下的透光性能的 变化 。对不同浓度的流体 、不同外加电场强度 、不同外加电场频率以及不同电极间距几种情况下电流变体的透光性均进行了测 试 。关键词 : 电流变体 ;透光率 ;交变电场中图分类号 : TB381实验22 . 1 电流变材料本文所用的电流变体为二氧化硅/ 淀粉复合颗粒电流变体 。 复合颗粒通过沉淀法制备 ,经分样筛筛分后备用

2、 。粒度分析测 得该颗粒的粒度在 350m 之间 ,体积平均直径为 15 . 2m 。电 流变体的连续相为二甲基硅油 ,其运动粘度为 5 10 - 4 m2 / s 。2 . 2 测试本文采用如图 1 所示的装置对电流变体的透光性进 行 测 试 。入射光源为 He - Ne 激光器 。ER 流体置于一玻璃样品池 中 ,其中有两面为导电玻璃充当电极 。光源射出的光垂直射入 到样品池的一侧电极上 ,穿过 ER 流体后 ,光束发生散射 。在另一侧电极附近经透镜聚焦后 ,由光电二极管检测并将其转化为电信号 。该信号经 A/ D 转换后 , 由计算机进行处理 。ER 流体 所受交变电场由自行设计的高压交

3、直流稳压电源输出 ,该电源 在 471200Hz 的范围内可连续调频 ,输出电压范围为 04kV 。引言1电流变体 ( Ele ctro rheologic al fluid) 是材料特性可由外加电场进行控制的新型智能材料 1 ,2 。它是由尺寸极小的固体颗粒 分散于介电的载液中所形成的悬浮体系 。在外加电场作用下 , 该体系的流变性质会发生显著的变化 ,表现为表观粘度大幅度 增加 ,流体变为粘胶状固体 ,甚至失去流动的能力 。这种转变过 程的速度极快 ,约为毫秒级 ,而且是可逆的 。电流变体的这种独 特性质使得它成为智能材料中的重要作动器材料 ,并且在未来 的结构振动控制 、机电一体化技术中

4、占有极其重要的地位 。有关电流变体及其应用的研究大多是建立在 ER 流体在电 场作用下 力 学 性 能 发 生 变 化 的 基 础 之 上 3 ,4 。在 电 流 变 过 程中 ,电流变体的分散相颗粒可以在电场作用下发生极化 ,由彼此 间通过静电引力的作用结成沿电场方向的链状结构 。这种体系 结构的变化 ,不仅导致了 ER 流体流变力学性能的变化 ,同时也 可导致流体光学性能发生变化 。如 ER 流体的透射比 、折射率等发生变化 ,以及材料表现出非线性光学特性 。ER 流体在电场 作用下的光学性能变化 ,为将其应用于可调光学透镜 、可调显示 器 、透光率可调的智能窗等方面提供了可能 。目前 ,

5、关于电流变体光学性能的研究主要包括两个方面 ,一是利用光学测量手段来研究流体某些方面的性质 ,如 U Schindle r 等人使用激光多普 勒测速技术研究了在狭缝中流动的电流变体的流速 5 、R Tao等人利用激光衍射方法测试了电流变体的微 观 结 构 , 发 现 ER流体在电场作用下的体心立方晶格结构 6 ; 二是对电流变体的 光学参量 、非线性光学特性的研究 ,如 Y Ot subo 等人研究了直 流电场下的 ER 流体的透光性 7 ,L W Zhou 等人观察了 ER 流体的一个重 要 非 线 性 光 学 特 性 二 次 谐 波 产 生 ( SHG) 8 , X P Zhao 等人研究

6、了电流变体电磁流变体在直流电场下的光学性 能 9 。本文主要研究了电流变体智能材料在交变电场作用下的透 光性变化规律 ,为将其进一步用于自适应可调节光学器件打下 了基础 。图 1 测试装置Fig 1 Te st app aratus本文分别测试了不同电场强度 、不同电场频率 、不同浓度 、 不同电极间距情况下的流体的透光性能 。结果与讨论对于悬浮体系来说 ,如果介质的粘度越低 ,颗粒沉降的速度 越快 ,则会导致体系的浓度沿重力方向有一梯度分布 。这种体 系浓度的不稳定会影响到流体的透光性 。如将悬浮颗粒为球形 颗粒 ,根据 Sto ke s 定律 ,颗粒的沉降速度 u 为 :32u = 2 g

7、r( - 0 )9式中 : g 为重力加速度 , r 为颗粒的等效半径 , 为液相介质的粘度 ,、0 分别为固 、液相的密度 。对本文的电流变体系 ,颗粒沉降速度的数量级为 10 - 7 m/ s 。在测试过程中 ,可认为体系是稳定的 。实验测试的结果也表明在测量的短时间范围内体系透 过光的强度基本是稳定的 。图 2 中的两条曲线分别是空样品池和充满电流变体的样品池在零电场时的透过光强度随时间的变化 。从图中我们可以看到 ,透过光强不随时间变化 。图中两条 收稿日期 :1998 - 12 - 02162功能材料2000 ,31 ( 2)曲线均有些波动 ,这可能是由于激光器电源的不稳定 、放大电

8、路屏蔽不好造成的 。需要指出的是 ,图中两条曲线的放大倍数不 同 ,不能作定量对比 。间距 2mm 时透过光的波动大 。对电流变体进行显微观察时可发现 ,粒子链在电极附近区域很稳定 ,电极间距近时 ,稳定的区 域相对就比较大 ,所以透过光强的波动就较小 。图 4 电极间距为 4mm 时流体透光性随频率的变化Fig 4 The transmitt anc e of ER fluids unde r various freque ncie s while the di st anc e of two ele ctro de s i s 4mm图 2 空样品池和 ER 流体零电场下的透过光强Fig

9、2 The transmitt e d light int e nsity在本文中 ,电场作用下流体的透过光强度用同等入射光强 时零电场下透过光强度的变化率来使其无量纲化 ,公式表示如下 : I ( E) - I0 I/ I0 =I0式中 , I ( E) 为电场强度为 E 时的透过光强 , I0 为零电场下的透过光强 。图 3 为 500Hz 时 , 浓 度 为 5 % 的 电 流 变 体 在 电 极 间 距 为4mm 时的透 光 率 相 对 变 化 。从 图 中 可 以 看 出 , 随 着 时 间 的 增 加 ,体系透过的光强也增加 ,同时 ,透过光强的相对变化随电场 强度的增加而增加 。

10、对该体系在其它频率交变电场作用下进行 测试 ,得到同样的结果 。这个现象可以用 ER 流体在电场作用下的结构变化来解释 。在电场作用下 ,悬浮颗粒发生极化 ,颗粒间通过静电引力彼此吸引 ,形成沿电场方向的链状结构 。随着 时间的增长 ,游离的颗粒继续向链上聚集 ,同时单链彼此靠拢形 成链束 。链与链之间的流体浓度相对初始浓度随时间逐渐降 低 ,透过的光强则逐渐地增强 。同时 ,电场强度越高 ,流体的电 流变效应越大 ,则透过光强增加越快 。图 5 电极间距为 2mm 时流体透光性随频率的变化Fig 5 The transmitt anc e of ER fluids unde r variou

11、s freque ncie s while the di st anc e of two ele ctro de s i s 2mm图 6 为场强为 0 . 5kV/ mm 、频率为 500Hz 时不同浓度流体的透光率变化 。从图中我们可以看出 ,低浓度的电流变体透射 光强变化幅度较高浓度流体低 。这是由于电流变体的浓度越高 ,悬浮颗粒相距就越近 ,静电引力的作用也就越强 ,即流体的 电流变效应越强 。所以透射光强变化越明显 。图 6 场强为 0 . 5kV/ mm 、频率为 500Hz 时不同浓度流体的透光率变化Fig 6 The transmitt anc e of ER fluid wi

12、th diff e re nt p article co nc e n2tratio n图 3 500Hz 时浓度为 5 %的电流变体的透光率变化Fig 3 The transmitt anc e of 5 % ER fluid while the freque ncy i s500Hz图 4 、图 5 为不同频率下的电流变体的透射光强变化 。电 流变体的浓度为 5 % ,场强为 0 . 75kV/ mm ,分别对 4mm 、2mm 两 种电极间距的情况进行了测试 。从图中可以看出 ,随频率的增 大 ,透过光强减弱 。其中 ,图 5 中 300Hz 时的透过光强由于增长 过快 ,在 80 s

13、左右即超出了 A/ D 板的测量范围 。由于电流变体 的介电性能受外电场频率的影响 ,流体的电流变效应有其最佳 响应频率 。体系的透射光强也会随频率的变化而发生变化 。另 外 ,从图中还可看到 ,电极间距 4mm 时 ,透过光强的波动较电极结论4电流变体在外加电场的作用下 ,其力学 、光学性能均会发生显著的变化 。本文研究了二氧化硅/ 淀粉复合颗粒电流变体在 交变电场作用下的透光性能的变化 。主要得出以下几个结论 :(1)对于本文所使用电流变体 ,颗粒的悬浮稳定性较好 ,在测量时间范围内体系可保持稳定 ;(下转第 166 页)功能材料2000 ,31 ( 2)1633456789Brannan

14、 J R ,et al . US 5098544 ,1992本多正明 ,等. J P 2795 A ,1992余根新. 电池 ,1995 ,25 ( 3) :140142 :148何细华 ,等. 电化学 ,1996 ,2 ( 1) :6670郑天奇 ,等. 电源技术 ,1997 ,21 ( 1) : 1517Isao Ma at sumoto ,et al . US4251603 ,1981Langloi s S ,Co euret F. J o urnal of Applie d Ele ctro che mi stry ,1989 ,19 :4350637内村笃 ,等. 电气化学 工业物理

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16、ctro che mi stry , 1996 ,26 : 631Technol ogy Con dit ionEff ect on ElectricalResist ivity of Nickel Foa mL IU Pei she ng1 ,L I Tief a n1 ,FU Chao 2 ,L Ming2 , YU Qing2(1 . St at e Key La bo rato ry fo r Co rro sio n and Prot e ctio n ;2 . Champowe r Co . Lt d. ,Institut e of Co rro sio n and Prot e

17、ctio n of Met al s , Chine se Ac a de my of Scie nc e s , She nyang ,110015 ,China)Abstract :Eff e ct of se ve ral diff e re nt t e chnology co nditio ns o n ele ctric al re si stivity of the nickel fo am p ro duc e d by ele ctro depo sitio n o n the o rganic po rous bo dy ha s be e n inve stigat e

18、d , and the re sult s indic at e that the p ro duct re si stivity through che mic al plating Ni i s di stinctly highe r than that through so a king in grap hit e - ba se co nductive colloid a s to co nductive tre atme nt . While a s fo r the the rmal tre atme nt elimi2 nating o rgani sm ,the re si s

19、tivity of p ro duct through re ductio n - sint e ring fo r quit e a lo ng time aft e r burning in air fo r a sho rt time i s a little le s s than that of p ro duct through dire ct re ductio n - p yrolysi s.Key words :n ickel f oa m ; technology condition ;electrical resistivity(上接第 163 页)(2) 在外电场作用下

20、 ,体系的透过光强度随时间延长而增 强 ;(3) 在 一 定 频 率 下 , 流 体 的 透 过 光 强 随 场 强 的 增 加 而 增 强 ;在一定电 场 下 , 体 系 的 透 过 光 强 随 频 率 的 变 化 也 会 发 生 变 化 ;(4) 相同外电场条件下 ,浓度高的体系透过光强变化大于 浓度低的体系 。电流变体的透光性能依外电场的变化而变化的性质 , 使得 将电流变体应用于可调光学透镜 、可调相机光圈 、智能窗等方面 提供了可能 。而流体在交变电场下的透光性又可以由场强和频率两个参数进行调节 ,使电流变体透光性的可调范围更大 ,这使得电流变体作为光学材料使用更为可行 。t e m

21、s and Structure s ,1993 ,4 ( 2) :248259Leng J S ,Liu Y J ,et al . Applie d Co mpo sit e Mat erial s ,1995 ,2 ( 1) : 5965Schindler U ,Vo rwerk J , St e ger R ,et al . Rheol Act a ,1995 ,34 :8085Chen T J , Zitt er R N , Tao R. Phys Re v Lett ,1992 ,68 :25552558Ot subo Y , Edazuya K ,Aka shi K. J Collo

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23、 D. Opt Eng ,1998 ,37 ( 5) : 15891592456789刘彦菊 女 ,1972 年生于黑龙江省木兰县 。1996 年取得哈尔滨工业大学航天工程与力学系固体力学专业工学硕士学位 。现为 哈工大航天工程与力学系复合材料专业博士研究生 。主要从事 电流变体智能材料与结构的研究 。参与国防基金资助的“智能 材料与结构”方面的科研课题 2 项 。获航天工业总公司科技进步 一等奖 1 项 。参 考 文 献1 St angroo m J E ,et al . Physic s Te chnolo gy ,1983 ,14 :2902962 Hal se y T. Science ,1992 ,258 :7617663 Co ult er J P ,Wei ss K D ,Carl so n J D. J o urnal of Int elligent Mat erial Sys2Transmissive Characterist ics of ER Smart Fl uid un der AC Electric Fiel dL IU Ya nju , ZHAN G Bo ming ,L EN G J inso ng ,WAN G