第7章电(磁)流变液与智能控制

1、第7章 电(磁)流变液与智能控制7.1引述 电流变液(简称 ER流体)是由高介电常数、低电导率的电介质颗粒分散于低介电常数的绝缘液体中形成的悬浮体系，它可以快速和可逆地对电场作出反应。 其过程是，在电场作用下电流变液颗粒自身发生极化，由于极化颗粒间产生静电引力而使颗粒排成链或柱状结构；当外场高于某一值时，流体状态由液态转变为固态，流体类型也由Newton（牛顿）流体转变为宾汉(Bingham)流体；当电场减弱或消失时，它又可以快速地恢复到原始状态。 利用电流变液的特性，可以通过电场实现力矩的可控传递及其他方面在线无级的可逆控制，因而在机电一体化的自适应控制机构工业领域具有广泛的应用前景。 电流

2、变液研究价值极大，但目前制约电流变技术发展与应用的主要因素是电流变材料的性能不能满足工业要求，需要设计与制备高性能电流变材料来应对实际需求。 ER材料主要通过吸收一定量的水或掺入一定量的其他小分子极性液体作激活剂以后才具有ER效应。7.2电流变效应的机理7.2.1作用在ER流体颗粒上的力 加电场时，ER流体颗粒上的作用力有范德华力、热运动力、空间排斥作用力(浮力)和由于粒子对带电离子的吸附产生的静电力等。 加上外电场后颗粒被极化，粒子间有极化力作用。当ER流体受到剪切力场时，粒子还受粘性力作用。 在静态ER流体结构中，主要由极化力控制，而且在低剪切速率下，极化力维持体系的结构。在高剪切速率下，

3、粘性力占主导地位，它对平衡系统的结构起破坏作用。7.3.2 电流变效应的物理模型 7.3.2.1水桥与双电层机制 水桥机制认为，无电场时含有活动离子的水分子被吸附在多孔粒子的孔隙内，介电粒子之间不因水发生关联。在强电场的作用下，活动离子聚到粒子的一端，与相邻粒子连接成键，这就像在相邻颗粒间形成一种水桥，水分子像胶水一样把颗粒粘在一起。这种水桥表面张力的宏观作用形成了ER流体的剪切阻力，导致电场下ER流体的粘滞性提高。 “双电层”机制认为吸附水分的分散相颗粒表面携带电荷，带电后的颗粒又吸 引附近的异号电荷，形成双电层。施加电场后，双电层极化发生扭曲变形，并在它们之间形成静电引力。当剪切运动发生时

4、，流体不仅要克服分子间的内摩擦力，还要克服双电层的静电引力，因此剪切力大大增加，宏观上表现为流体流变性能提高，产生电流变效应。7.3.2.2介电极化机制 80年代后，英国的Block和Kelly以及美国的Filisko和ArmStrong等人相继发现了“基本无水”和“基本无吸附水”的电流变液，大大提高了电流变液的应用范围。对这类无水型电流变液，人们提出了“介电极化”机制。即外加场作用下，电流变液中的球形介电颗粒获得了感生偶极矩。 根据“介电极化”机制，当流体发生剪切运动时，不仅要克服分子之间的内摩擦力，还要克服由于电场作用而形成的静电极化力，所以剪切力大大增加。宏观表现就是流体的流变性能提高，

5、抗剪能力增强。 传统的无机ER材料大部分靠吸水才具有ER效应的。利用无机材料潜在功能时必须重新设计。 无机材料的最大优点是功能性强，可以通过物理或化学方法对形态和结构进行调整以改变其电性能，结合介电常数、电导率等介电性质和界面状况等因素对电流变效应的共同作用，通过掺杂等改性方法给材料引入少量活性离子或使之半导化可以完善材料的物化性质，设计并制备出性能更佳的新型无机ER材料。 无机ER材料的主要缺点是密度大，易团聚造成电流变液中颗粒的悬浮稳定性差；无机材料质地较硬，对器件壁的磨损大；力学值仍需进一步提高。解决这些问题是制备性能更优的无机ER材料的主要任务。7.4电流变液材料的设计及制备7.4.1

6、聚合物基电流变材料性能与研制 聚合物基电流变材料是近几年电流变材料发展较快的一个类型，国外也主要集中在聚合物电流变材料的研制。这种材料的最大优点是密度小、质地较软，可以有效解决电流变液的沉降和材料对器件的磨损等问题，并有较好的力学值。 聚合物基电流变材料研制：一是合成具有高极性基团的长链或网状高聚物，对其进行改性处理；二是合成聚合物半导体材料，通过掺杂或后处理对介电常数和电导率等介电性的调整。 这种聚合物电流变在电场作用下以离子极化为主，电导主要来自颗粒带有的可移动离子。为达到较好的电流变活性，聚合物底物及所掺入离子应满足以下要求。1)聚合物底物：链或网络结构的规整性要好，以便在电场下产生大的

7、电偶极矩。2）掺杂离子：不同离子具有不同的离子半径和电子云分布，适宜的离子掺杂可得到最佳的电流变效应，所以要注意控制离子掺杂浓度，浓度太高导电率也增加，太低又起不到效果。离子型聚合物电流变材料 7.4.2电流变材料的多层结构设计 科学家预言高介电常数的绝缘外层包裹高导电核心结构在高频或宽频下更有应用前景。其结构特点为：1) 高导电核心可以提高颗粒的介电常数，增加颗粒的表面电荷，提供适宜的电导率；2）高介电常数的绝缘外层可以提高材料的耐电场击穿能力并有效限制表面电荷的运动，提高链结构的稳定性，绝缘层厚度越小，ER效应越大；3）在交流电场下，外层材料的介电常数与基液介电常数的比值越大，ER效应越大

8、。 赵晓鹏等提出三层结构模型： 核心采用空心玻璃微珠或高聚物颗粒以降低沉降性； 核心包裹低电阻高电导金属层以提高介电性，增强ER效应； 最外层包裹高介电常数的绝缘层，同时控制电导、耐磨性和抗击穿性。 多层ER材料的主要缺点是：制备工艺复杂，颗粒结构的均匀性不易控制，且成本较高；长期工作过程中，层与层之间会发生脱落，极大影响电流变液的耐久性。7.5影响电流变效应的因素影响电流变液的因素有1.分散相颗粒的粒径、体积分数的影响 2. 颗粒介电性质 3.3.悬浮颗粒电导率4.基液5.水含量与ER效应6.电场频率7.温度8.电场强度7.6电流变液在智能控制中的应用 利用这些电流变液优良的机电耦合特性，可

9、望解决机械中能量传递和实时控制方面的问题，因而越来越受到各行各业的重视。 减振器有两种类型：一是滑动平板型减振器，它是靠两滑动板间流体的电流变效应的阻力产生剪切力来控制活塞的振动；二是固定电极型减振器，它实际上用的是一个电流变阀的结构，这个阀的电流变效应的阻力阻止了流体在同心圆筒间的流动，从而导致减振器的阻力增大。7.6.1 电流变减振器7.6.2转子振动主动控制电流变元件 转子振动主动控制有盘式电流变阻尼器、电流变控制的质量系统和盘式电流变吸振器三种。转子振动主动控制电流变器件（a）盘式电流变阻尼器 (b)电流变控制的质量系统 (c)电流变液体动力吸振器 7.6.3电流变液离合器 目前常见的

10、离合器有同轴圆筒型和平行极板型两种，电流变液置于作为电极的两圆柱或两圆片之间，前者性能比较好。施加电场后电极之间的电流变液固化，离合器处于“合”状态；撤去电场，离合器处于“离”状态。7.6.4电流变液阀 用电流变技术设计制造的各种控制流量和压力的阀。 特点是：不需要具有相对运动的零件，不需要精密的机械加工，流量和压力可 以直接用信号控制。 用三根通有电流变液体的皮管合在一起作用三根通有电流变液体的皮管合在一起作“手指手指”，三根皮管内的电流变液以相同的流速，流量流动，这三根，三根皮管内的电流变液以相同的流速，流量流动，这三根皮管分别与三个电流变阀相连。调节三个电流变阀上的电压，可以控制三根皮管

11、内流变液体的流量，以使整个皮管分别与三个电流变阀相连。调节三个电流变阀上的电压，可以控制三根皮管内流变液体的流量，以使整个“手手指指”由于皮管内的流体压力变化而向一定的方向由于皮管内的流体压力变化而向一定的方向“伸曲伸曲”。 目前这种阀正被设计用于机器人手臂和飞行控制面的伺服机构。也可用于汽车、航天器、飞机、船舰、潜艇、核反应控制系统等。7.7磁流变液 磁流变液是由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而磁流变液是由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体。这种悬浮体在零磁场条件下呈现出低粘度的牛顿流体特性；而在强磁成的悬浮体。这种悬浮体在零磁场条件下呈现

12、出低粘度的牛顿流体特性；而在强磁场作用下，则呈现出高粘度、低流动性的宾汉体特性。由于磁流变液在磁场作用下场作用下，则呈现出高粘度、低流动性的宾汉体特性。由于磁流变液在磁场作用下的流变是瞬间的、可逆的、而且其流变后的剪切屈服强度与磁场强度具有稳定的对的流变是瞬间的、可逆的、而且其流变后的剪切屈服强度与磁场强度具有稳定的对应关系，因此是一种用途广泛、性能优良的智能材料。应关系，因此是一种用途广泛、性能优良的智能材料。 目前，磁流变液已经开始应用于研磨（抛光）工艺、阀门和密封、家庭健身目前，磁流变液已经开始应用于研磨（抛光）工艺、阀门和密封、家庭健身器、机械手的抓持机构、装配车间不规则形体的依托架、以及自动化仪表、机器人器、