材料讲座系列之电流变体

1、电流变体一材料系列讲座20世纪40年代，美国学者Winslow第一次使用分散相与分散介 质形成悬浮液的研究成果被公开并获首项专利，标志着电流变学的诞生; 第一届国际电流变学学术会议的召开(1987.8)及第一本回忆论文集的出 版(1989.8)标志着电流变学成为国内外学者所公认的一门独立学科。Winslow最先把具有介电性质的固体颗粒分散于绝缘油中，形成悬 浮液，当给这种液体施加电压时，可以观察到两电极之间形成了纤维状结构，这种结构使悬浮液的粘度 增加了几个数 量级。这种由电场产生的相变过程称为Winslow效应，也称为电流变效 应。在电场作用下能够呈现 强烈电流变效应的一类特殊液体称之为电流

2、 变液。/ 零场粘度应尽量低，VlOOmPas/ 到达固化状态的电场强度越低越好：一般3kV/mm通 过电流变液的 电流密度应V 20uA/cm2 ；/稳定性好：化学性能稳定，悬浮稳定性好，基础液与固体颗粒的比重 最好接近；工作温度范围：-30140甚至更宽；/无毒、无污染、无腐蚀性，易于大批量生产制造、价格低廉。固体粒子的普遍要求：a.有较高的相对介电常数和较强的极性；b.与基础液相适应的比重，以防止沉淀；c.适当的粒子大小：一般为O.l-lOpm ；d.合理的粒子形状：圆形、椭圆形、针状、纤维状；e.无毒、耐磨、性能稳定。对分散介质的要求：a.绝缘性良好，耐高压，抗击穿性能好；b.高沸点和

3、低凝固点，常用工作温度下不挥发；C.低粘度，密度尽可能大，与分散相固体粒子相匹配；e.高的化学稳定性，显著的疏水性；g.无毒、价廉。固体粒子的种类：无机非金属粒子、聚合物电解质粒子、聚合物半导体 粒子和复合材料粒子。添加剂：包括外表活性剂、稳定剂等。外表活性剂：增溶、润湿、渗透以及分散和絮凝作用，促进电流变效应， 增强悬浮液稳定性。包括油酸酯、山梨醇、甘油、琥珀酸酰亚胺、苯酚 盐、磺酸盐等。稳定剂：增加悬浮粒子的稳定性或产生粒子间胶态的分子团桥，使粒子 不沉淀又不絮凝，流体处于一种凝胶态。主要为嵌段共聚物和接枝共聚 物。无机电流变材料优点：高介电常数，可通过物理或化学方法调整形态和 结构以改变

4、其介 电性能。缺点：密度大、易团聚、悬浮稳定性差；质地硬，对器 件壁磨损较大； 力学值仍需进一步提高。综合考虑介电常数、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向材料引入 少量活性离子或使之半导化以改善其介电和电导等特性。例如：稀土元素掺杂TiO2,其介电常数、电导率大幅度改善，剪切应力 有所提高。聚合物基电流变材料优点：密度较低，与分散介质密度差小，混合分散性好，不易沉降，流 体易于贮存；质地软，对电极的磨损程度小，可有效解决电流变液材料 对器件的磨损问题；吸水 率低，电流变流体性能不易受到环境湿度的影 响；材料品种多，易于通过物理方法或化学手段进行分子

5、结构、微粒结 构的设计，以获得更佳的电流变性能。缺点：热稳定性较差，只能在100以下干燥处理；高电场强度下漏电 流较大；制备工艺复杂、毒性大，工业化 生产困难。结构改性。双层结构：高介电常数的绝缘外层包裹高导电核心。高导电核心提高颗 粒的介电常数，增加颗粒的外表电荷，提供适宜的电导率；高介电常数 绝缘外层控制和束缚导电层极化后的电荷不致逸散，提高材料的耐电场 击穿能力，提高链结构的稳定性。三层结构：核心是空心玻璃微珠或高聚物颗粒，以降消沉降性；中间为 高电导金属层，以提高材料的介电性，增强ER效应；最外层是高介电常 数绝缘层，以提高介电常数，同时控制电导、耐磨性和抗击穿性。通过选择和设计每层的

6、材料和厚度、控制和优化材料的介电性质和物化 性质，进一步提高电流变液综合性能。Co外表改性：对材料进行外表改性，改善材料的外表状态（如外表电荷 分布、与基液的润湿性等），改变材料的介电性质或物化性质，提高ER 效应，降低颗粒的沉降性。外表改性方法有氧化处理、吸附、包覆、接 枝等。优点：制备简便，材料性质较易控制；无机-有机复合界面状态更加模糊， 材料性能可持久不变。影响电流变效应的主要因素1、电学参数：包括电场性质和电场强度。在交流电场的 频率小于粒子的 极化速率时，会产生电流变效应；但是在交流电场的频率大于极化速率 时，电流变效应就不再 发生。流体剪切应力及表观粘度与电场强度成正 比，即电场

7、强度越大，剪切应力就越大。2、温度：对于含水电流变液，它的剪切应力随温度上升 而增加，当超过 某一个临界温度时，那么随温度上升而迅 速下降，期间出现一个峰值。3、溶液质量比：质量比小时，悬浮的颗粒数目少，不能提供足够的颗粒 数目形成链状结构，体系的电流变效应 比拟弱。当电流变液的质量比足 够大时，电流变液体系 可以提供足够多的固体颗粒数目用以形成链状结 构。4、颗粒的物理特征：椭圆形颗粒在形成链状纤维结构时需要的颗粒数目 少，临场强度小，降低了能量的消耗。在一定的范围内，长径比增大有 利于增强电流变效应。粒径太大，电流变液不稳定，颗粒容易沉析，电流 变液的响应速度变慢。 颗粒太小，体系中布朗运

8、动力会与引起电流变效应的极化力相竞争，削 弱了体系的电流 变效应。一般情况下，电流变液中的粒径大多在10 100nm范围内。5、溶剂：电流变液有一个与电场强度和温度有关的最正确含水量，少于或 者超出这个值，电流变液的活性都会变 低。同时要考虑溶剂和液晶高分 子的相容性。一般来说，理想的溶剂应该具备低介电常数、低粘度、低 熔点、高电阻、高密度、高沸点、高介电强度、高化学稳定性、无毒无 污染等性能。目前电流变液性能指标不能全面和理想地满足各种工程 应用所提出的要 求，限制了它在各种工程应用领域的使用范围。其主要原因有：一、电 流变液的响应较低；二、偶极矩 大的极性电流变液，其在较低的电场下 能发生

9、取向作用，但 易挥发，从而导致电流变液的电流 密度大；三、电流变液的抗沉降稳定性较差。设计一种高抗沉降、高极性、且不易挥发的高响应电流变体系是实现电 流变实际应用的重要途径。目前研究中普遍使用的主要是高介电常数、 低电导率的固体颗粒分散于低介电常数、低电导率的绝缘油中。无机化 合物如硅酸盐、钛酸盐、金属氧化物等是固体颗 粒材料中的重要一类。电流变液材料的应用：利用ER流体在介于液体和固体的属性间发生的 可控、可逆、连续的转变，通过电场可实 现力矩的可控传递及机构的在 线无级、可逆控制。应用：机电一体化的自适应控制机构。(1)在动力传递装置中的应用：将电流变液位于有相对运 动的机械零部件 之间。

10、通过施加电压改变电流变液的粘 性，从而控制机械部件之间传递 力或力矩的大小。例如 离合器。优点：无冲击载荷和噪声，无磨损；结构简单、质量轻；无级可调、灵 敏度高、响应快、能耗低；操作方便、易于实现电子和微机控制等。减振器：利用电流变液体对电场的快速反响能力，通 过改变两电极的 电场强度调整电流变体的粘度，阻碍活 塞的相对移动，以到达减振的目 的。电流变阻尼绞：作为钱的轴相对于外筒作相对转动时，带动正负极板作 相对转动，由于极板间充注电流变液，这样当两个极板间有电场 时，电 流变液便产生相变 而粘度增大，从而形成较 大的剪切屈服应力，使钱 的 阻尼增大。/?/Z ./Z2EI电流变液体阀：代替传

11、统的控制流量和压力的液 压阀。无电场时，电 流变液可从正电极和接地电极 之间的夹层即阀中通过；加电场时，通过 阀的电流 变液的表观粘度可由电场无级调节，从而实现流量 的无级调节。 电极间的流体固化时，阀门即“关上”。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。电流变液：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，是可快速 和可逆地对电场作出反响， 迅速实现液体-固体性质转变的一类智能材料。电流变效应：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，电流变液粘度增大； 当外场高于

12、某一值时，流体状 态由液态转变为固态，流体类型也由 Newton流体转变为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。，- O,起钊的被球豺广 无规分布 / -Os.外场产生耨极:中 8 中小五或外 丁。e 1_ _，_J增加0008000008 00E=0E0RandomLine upChains电流变效应的特征：a.流体粘度随场强连续地无级变化直至固化，可实现在液态和固态间快 速和可控的转换；b.液态和固态的转换是完全可逆的；c.控制信号简单：场强或电压信号，可人控或自控；d.响应灵敏，响应时间在10-3秒左右;e.控制能耗很低。电流变液的特点：能感知环境的变化

13、，并根据环境的变化自动调节材 料本身的性质使其粘 度、阻尼性能和剪切应力都发生相应的变化；液态和固态间的转换快速、 可逆；粘度连续、无级变化，能耗极小。电流变效应的机理1、双电层理论：也称界面极化理论。该理论认为在无电场作用时，分散 相粒子由于电离或离子吸附等原因使其 外表带有电荷，这些电荷与周围 介质中的异号电荷在静 电作用下相互吸引，构成双电层。在电场作用下， 带电粒子向某一电极运动，而其吸附的异号电荷那么向相反的方向运动。 双电层发生变形，产生非对称分布，导致非 平衡电荷的分布，使电流变 液在受到垂直于电场方向的剪切时要消耗更多的能量，从而产生ER效 应。主要缺点是没有说明为什么双层的相

14、互作用和交叠导致电流变体流 变性质几个数量级的突变。2、“水桥”理论：在由疏水的基础液和亲水且多孔的颗粒 组成的电流变液 中，固体颗粒的孔道中含有可移动的离子，并吸附、蓄留有一定量的水。 离子通过水的溶解，变得更易发生运动。在电场作用下，离子带动水向 电极 上带相反电荷的方向运动，这样，水聚集在离子端部，并与附近粒 子相连，可见水在离子与粒子间的连接中起了“桥”的作用，使固体粒子 连接成链，电流变液宏观上呈凝胶态，“水桥”的外表力作用导致了电流变效应。撤去电场后，水分子同 离子重新进入粒子孔道内，“水桥”消失，悬浮液恢复流动性。该理论对于后来开展起来的疏水性粒子的电流变体 系ER效应的解释那么

15、 存在一定困难。3、“纤维”理论：在电场作用下，原本杂乱无章分布于基 液的固体颗粒在 很短时间内沿电场方向排列有序化，形 成链状结构。在固体颗粒较少时， 能观察到粒子在电场 方向上是处于不断运动的。当电场强度加大或电流变液悬浮颗粒浓度增大时，链会逐渐形成柱状结 构，并出现侧链，最终形成一个网状结构，电流变液的抗剪切强度增大。该理论还认为，流体电流变效应的程度是由链结构的强度决定的，而后者又决定于悬浮颗粒间的相互作用力的大小。此理论得出的电流变效应的大小远远小于实验值，不能很好地解释电流 变现象。4、粒子极化理论：在高电压作用下，电流变体中的粒子由于极化发生电 荷别离，正电荷向靠近负电极的一端移

16、动，负电荷向靠近正电极的一端 移动，粒子两端富含正、负电荷，相邻粒子由于静电吸引相互连接即形 成链状结 构，进而粗化形成粒子柱。根据极化产生的机理不同，极化又包括电子位移极 化、离子位移极化、 偶极子转向极化、游离极化、界面 极化等。静电极化模型首先强调的是 粒子与连续相介质之间存在介电不平衡，极化大小除与介电不匹配性有 关外，还与场强、粒子间距离等其它参数有关。Com+电极+电极prf颗粒pany Logo现在普遍认为，在电场作用下电流变液的极化是产生电流变效应的原因。 电流变液是一种由相对介电系数不同的固液两种电介质 组成的悬浮体系, 因此其极化过程有其特殊性，这种极化包括如下几种形式：发生在分散 相颗粒体内的电子位移极化、离子位移极化及偶极子转向极化；作为连 续相的基础液的内部极化；由于电导能力的不同而在界面处形成自由电 荷聚积所形成的颗粒外表与基础液接触的界面极化等。其中电子位移极 化和离子位移极化是快极化过程，而偶极子极化和外表极化是慢极化过 程，其中慢极化过程是产生 强电流变效应的主要原因。电流变液的组成：由介电微粒与绝缘液体混合而成的复杂流 体。一般