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1、神奇材料电流变液 材料是人类文明进步的重要标志之一，每一次材料的进步都会带来人类生活水平的一次质的飞跃，进入20世纪之后，各种新材料的产生更是日新月异，如常被人提起的超导材料、半导体材料、新陶瓷材料、纳米材料等，本文拟介绍一种不为大家所熟知的神奇材料电流变液。一、电流变液材料的发现1947年，有一个叫温塞格的美国学者，讲石膏、石灰和石墨混合后加在橄榄油中，然后又加入水搅拌成一种悬浮液，他想试验一下这种悬浮液能够导电，结果在实验中却发现了这一奇特现象。当他对悬浮液加上电压后，发现液体马上变成了固体，当取消电压固体又会很快变成液体，后来他又测出这种物态变化的时间仅有几毫秒，并且固体的强度会随着所加
2、电压的增大而增加，可以用电压的有无和大小来控制物态变化和固态强度，温塞格的发现引起了许多科学家的兴趣，科学家把能产生这种变化的材料命名为电流变液，这种现象命名为温塞格现象。二、电流变液的应用1、电流变液刹车系统传统的车辆在高速行驶时，一旦遇到紧急情况，司机从踩下刹车到车停下来往往需要几秒时间，而车毁人亡的人间悲剧往往就是在这几秒内发生，这主要是因为传统车辆上的刹车多是采用一种被称为圆环“抱死”系统的装置，他们都是靠压力使车轮停转，但由于压力增大需要一个过程，致使车辆不可能快速停下来。而用电流变液做成的刹车系统，只需要千分之几秒就可达到使车轮停转的目的。研究者在车轮的传统装置中充入电流变液，平时
3、由于其粘度较小，对车轮转动无太大影响，当遇到紧急情况时，驾驶员只要象掀喇叭一样，按下一个相应电路控制开关，给电流变液加上一定电压，在几毫秒后，电流变液就要变成固体将使车轮传动装置与车轮固化为一个整体，按此原理还可以用电流变液锁定发动机、变速箱等，另外，还可将这种材料做成汽车防盗装置，使盗车者，即使进入车内，也只能无功而返。2、电流变液飞机机翼研究者将直升机的水平旋翼叶片迈入压电材料（是一种能将外加力转化为相应电压的材料），并将叶片作成中空式的，在其中充入电流变液，这种充入电流变液的中空叶片，会大大降低机翼产生的噪声和振动。特别是当飞机突遇涡流或猛烈地逆风，而导致叶片弯曲和扭转时，其中的压电材料
4、会产生一定的电压促使电流变液马上变硬，继而，叶片钢性变大，从而减小甚至消除了叶片的弯曲和扭转，达到了防止空难发生的目的。3、电流变液桥梁（建筑）报警系统国外研究者设计在建筑桥梁或大型建筑时，在建筑中埋没一些压电材料和电流变液的组合体，这样，万一在某处发现危情时，就会使压电材料产生电压，电流变液变成固体，起临时加固作用，再通过电子装置，将这些信息传递给监控系统及时报警，预防灾难发生。此外，国外还开发了用这种材料做成的精密装置、防震装置，都具有其他材料无可比拟的优越性，电流变液在其他方面的应用等着广大物理工作者去共同开发实验 电流变液演示实验电流变液属于复杂液体，一般由分散相、分散剂和添加剂组成，
5、其粘度的电场可控制性构成了电流变液应用的主要方面。电流变液的本质就是电导致的固体颗粒的极化。在外电场作用下，电流变液中的固体颗粒获得感应极矩=3rE10c,首先在两极板间排成链，随电场进一步增强，链之间相互作用而聚集成柱，从而由液相进入固相。本实验用立体光学显微镜进行放大成像，并接CCD，再连接计算机，可在线观察，并进行更深入的研究。 实验装置包括：立体显微镜、CCD摄像头、高压电源、电流变液 样品及样品盒、电视或带图像卡的计算机摘要介绍了将科研工作(电流变液转变机理及其应用)引入工科物理教学的实践与体会.关键词电流变液；介电极化；可控阻尼振动；可控光栅常量分类号O 441；O 321；O 4
6、36电流变液是近年来引起广泛关注的新型智能材料.大多数电流变液是具有高介电常量的固体颗粒和油液的混合体.没有电场时，电流变液呈液体状态，可像水或液压油那样自由流动.如果在电场作用下，它处在渐变的胶状形态，且与电场强度成正比.这种固液之间的转变仅仅在千分之几秒间就可实现.由于电流变液在电场作用下能从流动性良好的牛顿流体转变为屈服应力很高的粘弹塑性体，而且这种转变连续、可逆、易于控制，故有着广阔的应用前景.利用这种优良的电-机械耦合特性设计出的电流变液器件具有重量轻、灵敏度高、响应快和能耗低等优点，可在工业部门获得广泛的应用.在美国能源部1992年提出的电流变液估量报告中曾指出：“电流变液将使工业
7、和技术若干部门出现革命化的变革”.从1993年起，我校开始电流变液的研究，在国家自然科学基金、航空部科学基金、陕西省自然科学基金的资助下，从电流变液的材料制备、转变机理、力学、电学、光学性能及应用等方面都做了一定的工作，并取得了一些有意义的结果.面向21世纪基础物理教学体系与内容的改革势在必行.我们认为，教学体系与内容改革的关键在于：基础物理现代化；现代物理教学化.电流变液被认为是“有潜力成为电气-机械转换中能源效率最高的一种”.作为工科院校的大学生应该对此有所了解.从1994年起我们将电流变液引入工科物理教学.下面简要介绍我们的工作.1在电磁学中介绍电流变液及其转变机理电流变液是具有高介电常
8、量的固体小颗粒与低介电常量的母液组成的均匀悬浮状液体.电流变液是一种在电场里发生形态变化的物质，施加电场，流体的粘度会随外加电场强度的增加而明显增大，当电场强度达到某一临界值时，它会发生相变而迅速固化，所形成的固体呈宾汉塑性.固化过程在瞬间即可完成，所需时间通常在千分之几秒.该过程具有可逆性，随着电场的消失，它又会迅速地从固体还原成悬浮状液体.下面介绍电流变液的转变机理.由于电流变液现象的复杂性和多学科性，目前尚无精确模型，介电极化模型是目前普遍接受的微观结构模型.在这种模型中，电流变液的本质是电场导致的固体颗粒的固化.当外电场不存在时，由于电介质微粒的密度与溶液的密度十分接近，作用在粒子上的
9、浮力与重力相当，在这种微重力环境下，热运动粒子在空间随机分布形成均匀的悬浮液.在外加电场的作用下，电流变液体系中的固体颗粒获得感应电偶极矩，在电场下偶极矩之间会产生相互作用.比如：在两极金属板之间形成的电场里，微粒内部的正负电荷彼此向相反方向产生某种位移，电场内的颗粒就变成了电偶极子，这种效应的大小取决于该物质的极化率.当流体含有大量的极化颗粒时，其相互的电作用就变得错综复杂.最简单的情况是两个微粒在强电场内各自的正极在上，负极在下，两个微粒的相互作用力取决于相互接近的方式，一般连接两微粒的线与垂直线不超过55时，两微粒相吸，否则相斥.不论微粒的运动方向如何，感应电偶极矩始终与电场平行，使全部
10、微粒形成相反极性紧聚在一起的构形.此时吸引力占优势，使微粒吸合在一起，它们首尾相连排列成行，构成长“链”.电流变液体内的微粒链与电场方向一致并连接两极板.这种类链状结构是流体固态是否形成的关键.电流变液及其转变机理实际上是电介质极化的典型实例，在电磁学的电介质部分引入，可使学生对电介质及其极化理论有更具体的了解.电流变效应的表演实验，使学生一目了然，教学效果极佳.2设计可控阻尼振动的演示实验在振动问题中，摆是一个理想模型，阻尼介质中的摆在工程技术中被广泛应用.考虑振动系统为粘滞液体中的摆，摆受阻力f=-v，阻力系数与液体的粘滞系数成正比，阻尼振动的运动方程为其中=/2m称为阻尼因数，m为摆的质
11、量.0是振动系统的固有频率.根据阻尼因数大小的不同，系统的运动行为可分为三种不同的情况：0为弱阻尼；0为过阻尼；=0为临界阻尼.0仅由振动系统本身的性质决定，由振动系统的性质及周围介质的性质决定.因此一旦振动系统与周围介质确定，0、便是确定的，系统的运动行为一般是不可调节的，即不可实现可控阻尼振动.如果阻尼因数可调节，就可实现可控阻尼振动.利用电流变液的电流变效应可实现可控阻尼振动.由于电流变液是一种在电场里发生形态变化的物质，利用这种液体的粘度可通过施加电场予以控制的特点，制成可控阻尼介质.通过控制外加电场强度的大小，调节阻尼介质的粘度，相当于调节阻尼因数的大小，实现了可控阻尼振动.这种可控
12、阻尼振动可用于减振器、离合器、变速器等.我们设计了电流变液可控阻尼振动装置进行演示实验1，效果很好.3制备可控光栅常量的光栅我们在研究电流变液的光学特性时发现2，光经外电场作用下的电流变液反射后，在屏幕上可观察到稳定的明暗条纹.条纹形成的机理与电流变液的转变机理有关.我们观察到屏幕上出现的明暗条纹实际是外电场作用下电流变液中介质微粒链状结构的衍射花样.调节外加电场强度时，衍射花样随之变化.因此在外电场作用下电流变液中介质颗粒的链状结构等效于一个平面反射光栅，在屏上形成的明暗条纹为光栅衍射条纹.根据光栅衍射理论，光栅常量(a+b)增大，光栅上狭缝的总数目N减小，各级主极大变宽.实验结果表明，随电
13、场强度增加，明条纹变宽.这是由于随着外加电场的增加，电流变液中介质微粒链聚合成“柱”，相当于光栅常量(a+b)增大，从而导致明条纹变宽，与光栅衍射理论相符.因此通过控制外加电场的变化，可以调节光栅常量的大小.电流变液装置为制备可控光栅常量的光栅提供了一种可能的途径.我校“大学物理”课程的安排顺序为：力学；电磁学；热学；振动、波动、波动光学；相对论与量子论.我们在电磁学中引入电流变液及其转变机理，又在振动与波动光学中介绍可控阻尼振动与可控光栅常量，将自己的科研工作引入教学中，这一方面使学生拓宽了知识，更重要的是使学生体会到高新技术与物理学密切相关.将电流变液及其应用引入教学，是实现基础物理现代化
14、、现代物理教学化的具体体现.在教学实践中我们体会到，在面向21世纪教学体系与内容的改革中，从事基础物理教学的教师必须积极开展科学研究工作，更新自己的知识结构，使教学内容现代化.只有这样才能使教师、学生都适应时代发展的需要.*陕西省自然科学基金资助项目作者单位：西北工业大学应用物理系，西安710072参考文献1罗春荣，赵晓鹏.可控阻尼介质中摆的运动行为.大学物理，1998，17(5)：30312罗春荣，张兆东，赵晓鹏.电流变液与电-磁流变液的衍射特性.光子学报，1997，26论文题目：电流变机理及应用研究 作者简介：田煜 ，男,1975年05月出生，1998年09月师从于清华大学温诗铸教授，于2
15、002年01月获博士学位。 摘 要智能材料系统与结构（Intelligent Material Systems & Structures）是机械科学技术与材料科学技术交叉的前沿领域。当今人类社会已经高度机械化、自动化和信息化，智能材料的应用往往会孕育出一个新的产业，或者引起相关传统产业的巨大变革，因此智能材料系统与结构作为新兴的科学技术在近几十年得到了广泛的研究和应用。如智能压电材料不但被广泛用于照相机的光学自动调焦，而且更是诸如原子力显微镜等尖端科学仪器的关键工作部件，从而极大地促进了人类在原子尺度上对自然界的认知和改造。电流变液是20世纪中叶由美国人Winslow发明的性能独特的智能流变材料，在外电场作用下它可由液态向类固态转化，此转化可逆，且响应速度很快。其优异的机电控制特性使它在航空航天、武器控制、机器人工程、噪声防治、汽车工程、船舶工程、液压工程、体育健身器械等领域具有广阔的应用前景。在近十几年来，电流变技术吸引了物理、化学等基础学科和材料、机械、航空和土木结构等工程学科的大批研究力量，并取得了显著进展，但在材料、机理、性能和应用等方面仍有一些关键问题有待突破。由于电流变技术对国民经济发展的重要性，国家自然科学基金委于1999年专门立项资助了电流变
