电流变液研究进展

摘要：电流变液是一种纳米至微米尺寸的介电粒子分散在绝缘油中组成的一种新型智能材料，在外加电场作用下其流变特性可以发生快速、显著、可逆的变化。本文介绍了电流变液的特性、材料研究进展及应用状况。

关键词：电流变液 材料研究进展 应用

1、引言

电流变液（electro-rheological fluid, 又称ER流体）是一种新型的智能流体。通常它是指一种含两相或两相以上的悬浮体，在外加电场作用下，能在极短的时间内（毫秒级），其流变性能发生显著的变化，如表观粘度和弹性模量剧增几个数量级，由液体向固体转变，而且这种转变是可逆的，当电场除去后，固体又很快变回液体[1]。

电流变液自从1947年被Winslow[2]发现以来，因其能快速、可逆地实现液固相转变，且具有响应快、连续可调、能耗低等优良特性而引起了广泛关注，并被广泛应用于汽车工程、液压工程、航空航海、生产自动化、机器人工程、医疗器件、体育用品、国防等领域。

2、电流变效应的机理

对于电流变效应的机理，目前较普遍接受的为Winslow提出的诱导纤维化机理和Klass及Martinek提出的电双层机理。

2.1 诱导纤维化机理：

诱导纤维化机理[3]认为：对电流变液施加外电场时，由于颗粒与分散介质的介电常数不同，颗粒将被极化产生偶极矩。在外电场作用下，极化力使ER流体的分散粒子沿电场方向排列，并彼此吸引而形成链状纤维结构，从而导致体系的表观粘度上升。

2.2 电双层机理：

电双层机理[4]认为：吸附在分散相粒子表面的物质，在外电场作用下相对粒子发生场诱导畸变，在畸变内层与粒子表面之间产生静电相互作用，当受到垂直于畸变方向的剪力时，表现出粘性阻力，从而增加了粘度。

3、电流变液材料的研究进展

常规电流变液主要有三部分组成：低介电常数的绝缘基础液（连续相）、具有相对较高的介电常数和较强极化能力的固体粒子（分散相）、起粒子表面活化和增加粒子悬浮稳定性的添加剂。电流变液的发展经历了以下几个主要阶段，现阶段研究热点为有机-无机复合电流变液材料及多层包覆结构电流变液材料。

3.1 早期的含水电流变材料

早期研究主要集中在含水电流变材料上，如Winslow[5]所报道的淀粉、石灰石、明胶等，Klass[6]研制的聚甲基丙烯酸锂盐等一系列聚合物电解质基电流变材料以及Stangroom[7]合成的稳定性更好的葡聚糖类。这些材料作为分散相必须用水作活化剂，这样就带来工作温度范围小、漏电流密度大和能耗高等缺点。

3.2 聚合物无水电流变液材料

Block[8]首先研制出了稠环芳烃类聚合物半导体无水电流变材料，标志着一个新阶段的开始。无水电流变材料较好的克服了含水电流变材料的多种缺陷，但该类电流变材料的缺点是基体的热稳定性较差、漏电流密度较大、制备工艺相对复杂、毒性大而且工业化生产较困难。

3.3 无机无水电流变液材料

继有机无水电流变材料出现后，无机无水电流变材料也被广泛研制。Filisko[9]所报道的无水硅铝酸盐电流变液被认为是第一种设计的无机无水电流变材料，这种材料特点是不含水以及在高温条件下仍具有较高的电流变活性。但它的主要缺点是密度大、颗粒的悬浮稳定性差、质地硬、对器件磨损大,而且力学值仍需进一步提高。

3.4 有机-无机复合电流变液材料

进入20世纪90年代，有机-无机杂化材料已成为电流变材料研究与应用的主流之一[10]。由于有机-无机电流变材料综合了有机材料和无机材料各自的特点，其组成、结构及颗粒大小等均可以在制备过程中进行适当控制，分散粒子的介电性能等可获得相应改善，因而这类电流变材料被认为很有开发和应用前景。西北工业大学赵晓鹏[11]等人研制了一种高聚糖与无机氧化物杂化的电流变液材料，它是以钛酸正丁酯（Ti-(OBu)4）作为无机基体材料，羧甲基淀粉（CMS）作为有机原料，正丁醇作有机溶剂，草酸作为螯合剂，少量的浓盐酸作催化剂。该电流变液的分散相是改性淀粉和钛氧化物两种组分在分子尺度上的杂化材料，它兼有无机氧化物制备简单以及有机物抗沉降性好的特点，在强电场下的力学值较高，而且材料制备工艺简单，是在常温下实施钛酸丁酯在高聚糖溶液中的原位溶胶凝胶反应，成本低廉。

3.5 多层包覆结构的电流变液材料

除以上提到的几类电流变材料外，为了获得性能优良的电流变液材料，研究者们还设计和研制了多层包覆结构的电流变液材料。如香港科技大学温维佳等人[12]研制了由表面包裹有尿素(Urea)薄层的 (BaTiO(C2O4)2) 纳米颗粒与硅油混合而成电流变液，其剪切强度可超过130 kPa(5kV/mm)。2004年西北工业大学赵晓鹏研究小组[13]报道了一种新颖的三元体系纳米复合颗粒电流变液材料，该三元体系是以高岭土/二甲基亚砜插层复合物为核，再包裹上羧甲基淀粉而构成的纳米复合材料。由该材料与甲基硅油配制的电流变液既具有较高的力学值，又有好的抗沉降性和宽的工作温区，而且制备工艺简单，原材料廉价易得。

4、电流变液的应用

电流变液具有响应速度极快、粘度可调，液固转变所需能耗低，可进行实时监控等特点，因而为新一代电机耦合系统提供了良好的接口， 可以广泛应用于诸如汽车工程、液压工程、航空航海、生产自动化、机器人工程、医疗器件、体育用品、国防等领域。

4.1 电流变阻尼器

电流变阻尼器由于其刚度、阻尼可调解，抑制振动频率范围比较宽，故可根据发动机转速的改变以及路面条件的变化，适时地改变减振器的相应参数，提高了汽车的舒适性和使用寿命。如浙江大学许沧粟等人[14]研制了一种汽车发动机用电流变液减振器，其特征是在减振器上下工作腔之间的矩形阻尼器通道两侧装有一对电极，通过导线外接高压电源，通过调节高压电源的输出电压来改变电极之间的电场强度从而改变电流变液粘稠度，从而达到减振器的刚度和阻尼大小可调的目的。

4.2 电流变离合器

电流变技术在汽车上的重要应用之一是利用它在电场下粘度连续变化的特性制造汽车的离合器装置，主要原理为：汽车引擎与转子连接，车轮与圆筒连接，转子与圆筒之间充满电流变液，当未施加电场时，电流变液为液态，汽车引擎驱动转子旋转而不传递力矩；当施加电场时，电流变液变稠（或固化），从而将转矩传递给圆筒以驱动车轮。用该装置取代传统的齿轮传动装置，不仅体积可缩小到原来的1/10，而且只需控制电压就可以达到调速的目的，维修及更换也非常简单。同时，由于离合器的工作介质是电流变液体，在工作过程中，能吸收系统的震动，降低噪音和磨损，符合环保原则而且延长了器件的工作寿命。香港科技大学温维佳等人[15]研制了一种电流变离合器，包括驱动元件和被驱动元件，其通过向分布在驱动元件与被驱动元件之间的电流变液体施加电压来选择性地连接。该驱动元件与被驱动元件具有轴向表面，该轴向表面确定出一个容纳电流变液的轴向间隙，从而减小了电流变液沉淀的问题。

5、结束语

电流变液作为一种新型智能材料，虽然其理论研究与技术开发还有待更进一步发展，但可以肯定的是随着电流变技术的发展和研究的深入，电流变液的应用必将引起诸多工业领域革命性的变化。

参考文献：

1、周馨我 功能材料学 北京：北京理工大学出版社 2002，3

2、Winslow W. L. U. S. Patent No. 2, 417, 850 1947

3、Winslow W. L. J. Appl. Phys. 1949, 20, 1137

4、Klass D. L., Martinek, T. W. J. Appl. Phys. 1967, 38(1), 67

5、Winslow W. L. U. S. Patent No. 2, 661, 596 1953

6、Klass D. L., Martinek T. W. J. Appl. Phys. 1967, 38, 67

7、Strongroom J. E. Brit. Patent No. 1,570,234 1980

8、Block H., Kelly J. P., GB Patent 2,170,510 A 1985

9、Filisco F. E., Armsyrong W. F. U. S. Patent No.4, 7441, 914 1988

10、Lu J.，Zhao X. P. J. Mater. Chem, 2002, 12, 2603

11、赵晓鹏 段旭 尹剑波 CN 00113763.8 2003

12、Wen W. J., Huang X. X., Yang S. H., et al. Nature Materials 2003, 2, 727

13、赵晓鹏 王宝祥 姚远 CN200410025955.9 2005

14、许沧粟 郦光明 CN200410024616.9 2005

15、温维佳 沈平 陈健伦 蓝秋群 CN200410086832.6 2005