電流變技術及其應用

摘 要:隨著現代科學和技術的發展需要，傳統的驅動器在驅動精度和驅動載荷能力方面已經不能滿足要求。本文介紹電流變技術及其在工程中的應用。

關鍵詞:電流變技術電流變效應電流變液

中圖分類號:TH11文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(C)-0072-01

隨著現代科學和技術的發展需要，傳統的驅動器在驅動精度和驅動載荷能力方面已經不能滿足要求。進年來，利用電流變技術實現精密驅動的研究已經成為熱點。

1 電流液

1.1 電流變液的概念

電流變液(electrorheological fluid)是這樣一類液體的總稱:在外加電場的作用下，液體的粘性會隨電場強度的增加而明顯增大;當電場強度達到某一臨界值時，它會發生相變而迅速固化，而且具有明顯的抗剪屈服應力。該過程具有可逆性。以上在電場作用下，電流變液流變特性發生變化的現象稱為電流變效應。

1.2 電流變液的組成

電流變液是一種兩項懸浮體系，由不導電的母液和均勻散布在其中的電介質微粒組成。同時還要加入添加劑，增強電流變效應，改善懸浮體的穩定性，常用的添加劑有水、甲醇、乙醇和胺類等[1]。

電流變液是電流變技術中的核心部分，其性能優劣直接影響電流變技術的應用。性能優良、壽命長、比較穩定，并且滿足工程應用的電流變液體仍然是目前人們研究的重要課題之一。

1.3 電流變效應的特征

1)電流變液的粘度隨著電場的增強而增大，最后固化。

2)固化過程在瞬間即可完成，所需時間通常在千分之一秒。

3)固態的電流變液可以還原為液體;

4)電流變液粘度的變化是連續的，可以是線性的，也可以是非線性的。

5)能耗低。

2 電流變技術的發展

2.1 第一階段

20世紀30年代，美國科學家Winslow最早發現電流變現象，因此這種現象也被稱為Winslow效應[2]。此后，

世界許多科學家對電流變液進行了大量的研究。60年代末，Klass和Martinek詳細研究了電流變效應對粒子體積分數、剪切速率、電場及其頻率的依賴性。

2.2 第二階段

20世紀80年代初期，英國的Stangroom等人開發出腐蝕性小、親水性的聚電解多孔微粒組成的電流變液，使電流變液越來越接近實用。

2.3 第三階段

80年代后期，無水電流變液的成功研制，克服了含水電流變液的缺點，大大提高了電流變技術的應用范圍。

在我國，電流變技術的研究由北京理工大學魏宸官教授與80年代末首先倡議和開展的。之后許多高校和中科院物理所等單位開展電流變技術的研究，并且有大量的研究成果。

3 電流變技術的工程應用

電流變技術廣泛應用于汽車工程、液壓工程、航空航海、生產自動化、機器人工程、醫療器械、體育用品、國防等領域，應用前景非常廣闊。

1)利用電流變液體的表觀粘度在電場作用下的無級可控性能，可以設計和制造出適合各種工程領域中作振動主控制的阻尼可調節的減振器和隔振器。

2)利用電流變液體一定范圍內可以無級變化和控制的電致抗剪切屈服應力，可以設計和制造轉矩、轉速可以無極調節的動力傳遞元件。如:可調速的離合器、制動力可控的制動器等。美國東北大學的機器人專家康斯坦丁諾斯·馬弗魯迪斯發明的由電腦控制的、用于恢復肌肉力量的阻力設備，它帶有一對內部含有電流變液體的制動器。

3)由于電流變液體在電場作用下，能產生高速響應的稠化和固化效應，利用它可以研制在液壓控制技術常見的高速響應的開關控制器件，運動物體位置的精確控制及液壓傳動中的流量和壓力控制的各種閥類。

電流變閥取代液壓控制閥實現無級調節控制有如下優勢:1)結構簡單;2)動態響應快;3)不存在機械摩擦，壽命長。所以電流變閥是電流變技術研究的熱點。吉林大學設計制造了單、雙通道的電流變閥[3]，對流量和壓力差進行了理論分析和實驗研究。臺灣大葉大學設計了利用電流變閥控制墨水噴射的打印機，通過施加到同軸電極的電壓來調節流經電流變閥的電流變液的粘度，調節流動阻力，使墨水的噴出量可以通過電壓來控制[4]。

4 電流變技術的發展趨勢

雖然電流變技術有很多優勢，但還未發展成熟，還有很多方面需進一步發展才能在工程中得到廣泛的應用:

1)力學性能要滿足工程應用的需求;

2)要有較廣的溫度工作范圍，現階段溫度的變化電流變效應影響很大;

3)物理性能要保持穩定;

4)化學性能要保持穩定;

5)電學性能要良好，有較強的極化能力、介電性能以及耐擊穿能力等;

6)電流密度和電能耗要求不能過高;

7)電流變液具有綠色環保的能力。

參考文獻

[1]陳宏，陳默軒.電流變效應的研究及應用前景.工科物理，1999，9(1):26-28.

[2]朱石沙，黃宜堅.電流變技術及應用前景.現代機械，1994，(3):32-34.

[3]曲興田，劉建芳，等.平板狀單通道電流變閥的研究.液壓與氣動，2010，(1):7-9.

[4]CH Y Lee，CH Y Tseng.The dropletejection of an inkjet mechanism controlled by electrorheological fluid [J]. Materials and Design.2002，23(8):727-739.