电流变液性能及制备

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1、http:/ 电流变液性能及制备 韦佳佳 , 李 酽，刘 刚中国民用航空学院理学院，天津 300300 摘 要：本文介绍了电流变液力学、光学性能，以及电流变效应的四种理论模型，特别对电流变液的制备技术进行了详细的综述与讨论。指出了电流变液研究亟待解决的问题及研究热点。 关键词：电流变液；制备；性能；机理 电流变液是一类均匀的悬浮液体系。 基于其在电场中流变性能会发生显著变化这种优良的机电耦合性能，可作为便于控制、连续可调的阻尼介质，广泛用于民用航空、机械工程、控制工程和机器人等领域。因其特殊的光学特性，可以用于各种光学器件及光学控制系统。本文介绍了电流变液的性能、电流变机理，重点对电流变液的

2、制备进行了综述与讨论。 1电流变液的性能与机理 1.1 电流变液的性能 1.1.1力学性能 静屈服 应力 （ S） 是 电 流变液 在流 动前所 能承 受的最 大静 态剪切 应力 ，它 随电 场 强 度增大而急剧增大， 且重量比越大， 增大得越快。 当电场强度达到某一临界值时趋于饱和。 实验表明1， 在较低电场强度下， S E2； 反之， S E。 添加剂是影响 S的一个重要因素。在一定范围内使用较高介电常数和较低漏电流的添加剂可以有效提高电流变液的性能2。无添加剂时，电流变液的 S与 E 呈近似线形关系，而有添加剂时呈非线 形关系，可近似用二次多项式进行拟合1。 电流变液开始流动后， 维持使

3、其继续变形的是一个比静态屈服应力小的力动 态屈服应力 （l） ， 对 于同一体积 比的电流变 液，动屈服 应力较静态 屈服应力约小 25%左右 3。l随重量比或电场强度而增大。目前对于电流变液动态特性的 研究只限于低电场强 度4。茅海荣 等5对电流变 液准静态挤 压过程中的 力学行为进 行了研究， 发现 在外加电场作用下，电流变液有一定的压缩应力，而且随电压的升高和压缩量的增大而增强。电流变液的拉伸可分为三个阶段6： 第一阶段， 拉伸应力随应变的微小变化呈线形急剧增加，应变值小于 0.05； 第二阶 段， 拉伸应力增加减缓， 拉伸应变增加较快， 并很快达到一个最大值， 称为电流变液的屈服阶段；

4、 第三阶段， 拉伸应变继续增加， 拉伸应力的增加也缓慢降低到零。 称为屈服后电流变液的粘连阶段。 各力学特征量之间的关系为6： 压应力约为相同电场作用下静态屈服应力的 10 倍， 是拉应力的 2 3 倍， 拉应力是相同电场作用下静态屈服应力的 3 4 倍 。应用上述力学性能可开发出各种工程应用器件。例如利用电流变液屈服应力特性制造电流变液光栅、 艺术印刷 中的 ER 油滴 等。 基于电 流变液的压缩效应， 则 可制造 减震器件， 有研究者将电流变阻尼绞应用于机翼操纵面7， 并进行了风洞实验， 结果证明通过- 1 -http:/ 控制增加电流变液阻尼绞的阻尼可提高机翼操纵面的颤振临界速度 VF达

5、到颤振目的。 1.1.2光学特性 未加电场时， 电流变液内固体颗粒分布杂乱无章， 因此， 在 光入射时， 经颗粒多次吸收和散射， 透光率不高。 施加电场后， 在电场作用下， 自由态固体颗粒沿电场方向首尾相接成链， 并与两极板相连接， 链与链之间的区域成为光的主要通道， 使得透光率上升。 在一定的电场作用下， 透光率开始时迅速增加， 继而趋于稳定值。 电场强度越大， 透光率增加得越快，稳定值也越大； 而在一定的场强下， 体积比越大， 透光率增加得越快。 应用电流变液的这种光学特性可以用来制造可调节光开关、 红外光学材料、 光栅常数可调节光栅以及光电流计等仪器。 1.2 电流变效应的机理 提高电流

6、变液性能是电流变液研究的核心问题， 而电流变机理研究对人们理解电流变效应以及提高电流变液性能、 改善电流变液体系具有重要的指导作用。 对于电流变机理， 普遍认同的事实是由于电场作用，液体的分散颗粒间的相互作用使得液体的宏观性质发生变化。据此建立起的多种模型是侧重在电场下电流变液中的介电颗粒的相互作用上的。 1.2.1双电层理论（Double Layer Theory） 对于固液两相体系组成的电流变液， 固体粒子与液体接触时， 固体表面的带电现象和体系的热运动对固体粒子表面附近的液体介质中的正负离子产生相反趋势的综合作用， 使得过剩的异号离子以扩散形式分散在带电粒子表面的液体介质中， 形成双电层

7、。 Klass 和 Martinek认为电 流变 体的响 应时 间极短 ,不 足 以使微 粒排 列成纤 维状 结构， 提出 了双电 层理 论模 型 ，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 使其表面带有电荷，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则向相反的方向运动。 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 。 这一理论的主要缺点是没有说

8、明为什么双层的相互作用和交叠导致电流变体流变性质几个数量级的突变。 1.2.2“水桥”理论（Water Bridge Theory） 早期的 电流变体的分散相中都含有水 , 水是 引发电流变效应不可缺少的条件， 水的含量对于电流变效应有着显著的影响。 Stangroom 等 人提出了 “水桥” 理论模型。 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

9、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； 换言之， “水桥” 的表面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。 Stangroom 用该 机理定性地解释了水的含量、固体微粒的多孔性和电子结构等对电流变效应的影响。 但该理论对于后来发展起来的疏水性粒子的电流变体系 ER 效应的解释则存在一定困难。 1.2.3粒子极化理论（Particle Polarization Theory） 这种理论认为产生电流变效应的主要原因是电流中固体颗粒的极化。 主要内容为： 在高电压作用 下 ,电流变体 中 的粒子由 于 极化

10、发生 电 荷分离 ,正电 荷向靠近 负 电极的一 端 移 动 ,负- 2 -http:/ 电荷向靠 近 正电极的 一 端移动 ,结果粒 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。 虽然这几种极化在极化速 度和强度上有差异，但从宏观上看很难将它们区分开来，所以通常采用综合的方法进行分析。由于是 建立 在极化 作用 之上 ,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

11、不平衡 ,而水 对 电流变效 应 的产生不 是 必需的。 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。 1.2.4“纤维”理论（Fibrillation Theory） 该理论认为 电流变过程 是在电场作 用下悬浮颗 粒沿电场方 向排列成链 状。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。 此为一动态平衡的状态。 在重量比较小， 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4。 研究发现， 链长随电场强度和悬浮颗粒浓度的增加而增大、 随电场变化频率的提高而变短。 一般认为链长随频率提高而

12、变小是由于颗粒无足够时间极化所致。 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 （即流体粘度变化的程度） 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（静态时主要表现为颗粒间的极化力） 的大小。 但是运用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。 2.电流变液的制备 电流变 液一 般为两 相悬 浮液体 ,由 分 散相粒 子和 连续相 介质 组成。 根据 分散相 是否 含有水又可将其分为含水型和非水型。 在电流变液的制备过

13、程中， 电流变液的分散相粒子的制备技术是决定电流变液性能的主要因素， 因此， 对 于不同体系的电流变液的分散相粒子就有着不同的制备方法。 2.1含水型电流变液 对于含水型电流变液体系中的分散相粒子的制备方法一般采用插层复合法。以 TiO2插层蒙脱土为粒子电流变液制备工艺为8： 在较低温度下， 将蒙脱土在二次去离子水中充分溶胀， 然后逐滴加入 TiO2溶胶， 升高温度至 60 ， 反应约 4h。 钛离子与蒙脱土硅酸盐层之间的中和 层间 负电荷 的阳 离子进 行交 换， TiO2像柱子一 样嵌 在蒙脱 土结 构层间 ，连 接并撑 开两邻近硅酸盐层， 即为 TiO2插层蒙脱 土的无机 /蒙脱土复合颗

14、粒。 路军等利用乳液共混插层法制备聚 苯 胺 /蒙脱土 (PANI-MMT)纳米复合 粒 子9，将 产 物与甲基 硅 油（化学 纯 ， f=2.602.80， =1 10 1 10S/m， =0.9 1.0g/cm3， 500mPa s（ 25 ）按 照 30%的质量比混合， 配制成电流变液， 其 ER 效应较纯 聚苯胺、 蒙脱土及机械共混的聚苯胺 /蒙脱土 ERF 有较 大提高，具有较好温度稳定性和优异的抗沉淀性。聚苯胺插入蒙脱土层间后，介电损耗有一定提高。 随着温度升高， 其漏电密度增大， 导致材料在 60以 上 ER 效应减 弱。以二甲基亚砜为前驱体， 先使其插入高岭土层间形成高岭土 /

15、二甲基亚砜复合物并充分溶胀，之后进行加热并滴加 CMS， 反应约 8h， 将产物抽滤、 洗涤、 干燥后得淡灰色颗粒高岭土 /羧甲基淀粉剥离型纳米复合粒子10。 将制得的复合颗粒放入玛瑙研钵中， 研磨 3h，研 成细小均匀的颗粒，硅油在 100下干 燥 1h 后，按 体积比 31%混 合均匀，即可得高岭土 /羧甲基淀粉纳米复合物为分散相颗粒的电流变液。 - 3 -http:/ 2.2非水型电流变液 含水型电 流 变液体系 由 于水分的 存 在，使得 电 流变液的 工 作温度范 围 较 窄 (只能 在0 100之 间 )， 且电流变液设备易遭腐蚀， 电流变效应的稳定性差等。 因此， 非水型电流变液体 系的 研究日 益受 到重视11。 非水型 电流 变液体 系的 工作温 度范 围较宽 ，克 服了含水型电流变液 体系工作温 度窄的缺点 ，而且在体 系中电流变 效应的稳定 性好，因而 具有较 远的发展前景。非水型电流变体系中分散相粒子的制备主要有以下几种方法。 2.2.1 一般液相法 非水型电流 变体系中分 散相粒子材 料主要有硅 酸铝盐粒子 材料，半导 体粒子材料 ， 复合粒子材料 等。其中， 复合粒子材 料是近来研 究的热点。 研究者通过 不同方法设 计出了 不同结构的复合粒子， 如核 /壳复合型粒子， 无机