電流變液和電流變效應的研究現狀

吳 昶，牛 蕊

（黑龍江工程學院理學院，黑龍江 哈爾濱 150050）

0 引 言

電流變液是一種極具發展潛力的新型材料。該材料能夠在外加電場的變化作用下具備實時響應的特性。

1 針對于電流變液的研究價值和發展方向分析

1.1 電流變液的研究意義

何為電流變液？顧名思義，電流變液是一類液體的總體概念，它是由不導電的母液和均勻散射的電介質微粒構成。對于電流變液產生的效應原理，可以對其施加一定強度的電場力，之后液體的性質會產生較大的變化，主要體現在粘度上，而且施加的電場力強度隨之增強，液體的粘性則明顯增大。但是，在整個粘度性質的變化階段，會出現固化現象，即電場力的強度達到某一臨界值，就會進入固化階段。整個固化階段發生的很快，如一瞬即可完成。依據研究數據顯示，固化過程在1‰秒。此外，電流變液的該性質具有可逆性，一旦撤去施加的電場強度，將會恢復為原來的狀態。

在電場力作用下產生的電流變液效應體現的現象被稱為電流變效應[1]?；陔娏髯円旱碾娏髯冃匦?，使電流變液在工業以及其他領域具有廣泛的研究價值。但是在電流變液首次獲得專利研究至今以來，尚未得到顯著性的發現。因為在電流變液的研究階段會面臨一些嚴重的技術問題，因此限制了電流變液和電流變效應的發展。例如，在研究階段需要控制電流變液的彌散性，所以在剛開始研究電流變液配方時具有水分，會導致運行溫度范圍過窄，產生的局部電流還未穩定便會消失。但是隨著科學技術的不斷發展，在最新一屆的國際電流變液磁流變液大會上，已經取得重大突破。

1.2 電流變液的發展方向

由于電流變液在近代以來取得重大突破，這也使電流變液的研究受到各個領域的廣泛關注，如物理學領域、力學領域、數學領域、材料學工程領域等?，F階段，依據電流變液為研究基礎，研發了基于電流變液的商品，為材料領域注入新的活力?；谠擖c，西方國家最早成立了依據電流變液為核心的綜合化、專業化商業體系。電流變液在能源上具有重要的體現，將使電流變液效應成為整個能源領域上的研究熱點。

同時，電流變液又被稱為“靈巧的液體”，能夠及時響應電場力的不同變化。通過對電場強度的控制，能夠科學的設計電流變液的粘性和力學性質。以此，應對各方面的要求，實現對工業領域的精準把握。目前，材料電流變液的電流變效應，在力學領域上具有廣泛的應用價值，進而在工業領域掀起新一代革命。

2 針對于電流變效應的研究基礎理論分析

電流變液的電流變效應由最初在實驗室發現以來，便得到廣泛的研究與推廣，繼而誕生了電流變效應的基礎理論體系。但是在最初時，研究人員需要首先解決如下3點問題。第一，電流變液為什么會在電場強度變化時而產生變化？第二，在施加的電場力一旦超過某一設定數值，即臨界值時，將會導致液體出現固化現象，產生固化的原因是什么？第三，對于電流變液的固體結構如何？這3個問題都是研究電流變效應理論基礎階段需要重點考慮的。近代以來，對于這3個問題，科學家已經得出了令人滿意的答案。

據國內外的相關研究文獻顯示，電流變液的理論基礎是與電場中介電粒子的極化現象有關，而且在本質上與粒子間相互作用后產生的鏈化具有直接的關聯。例如，當施加的外電場強度為零時，因為電介質微粒的密度和母液的密度在物理性質上十分接近，所以產生的物理性質相同，則基于該程度的自然的重力作用下，以及在熱運動的趨勢過程中，不會對粒子的空間分布產生影響。這時離子在空間分布上依舊遵循隨機性的原則。但是當施加外電場之后，介電粒子表面將會出現極化電荷，進而形成電偶極子，感生偶極距為P=?E。

在粒子體積濃度較低的情況下，可以與外加電場近似。一般來說，產生的極化率是一個二階張量，只有粒子形狀為球形且對稱時，才可以被稱之為標量。此時，感生偶極矩和有效電場之間平行。但是球形的粒子一般是采用理想情況下，如果以α表示粒子的半徑，則此時的極化率為?=βα3ε∫。電偶極子之間的相互作用會使得粒子和母液之間沿著電場的方向均勻分布。

通過參考具體的文獻顯示，玻璃珠在電場作用下，將會沿著電場的方向呈現排列情況，但需要在0.5 kV的電場強度下才可以完成。由于在電場的作用力下，類鏈狀的粒子結構形成速度較快，所以人們通過肉眼無法觀測到整個形成過程，且形成的內鏈狀結構不具備特定的規則性，可能會存在橫向的連接或者是縱向的短鏈結構，之后通過具體的觀察可以得到所產生的內鏈狀結構，可以發生粒子的調整作用。這也說明鏈中相鄰的離子之間具備吸引力，這使電流變液在電場中的粘性增加。隨著電場強度的變化，粒子之間的吸引力也會發生變化，同時體現了電流變液的物理狀態由庫侖力和熱運動之間的強弱所決定[2]。

此外，也可以用如下的研究手段來估算相變時的臨界電場強度。產生的偶離子相互作用的勢能為如下運算公式：Nρ2η/εf=Nβ2α8E2ηεf。在偶極子產生的勢能階段熱運動占據主導地位，使電流變液維持液體狀態。之后伴隨著電場強度的增強，偶粒子之間也會產生劇烈的作用，一旦超過熱運動，電介質微粒則會停止運動，沿著電場力的方向排列，得到該階段的臨界場強。但是當施加一定的電場強度時，活動離子都會聚集到粒子的一端，和其他相鄰的離子之間構成連接鍵。正是由于形成了粒子表面之間的連接鍵，使電流變液可以在靜止時也能夠承受較大的應力，以變得粘稠。這是在電流變液中所產生的水鍵化理論。

3 針對于電流變液的力學性質分析

因為電流變液體現的性質較為繁多，尤其是力學性質方面，所以在研究電流變液的力學性質時，可以借助圖像結合模型的方式予以闡述。當不施加電場的作用時，電流變液則在本質上和牛頓流體類似。在流動時產生的切應力和切應變化率呈現正比，具體的圖像如圖1所示。

圖1 切應力和切應變化率

一旦施加外加電場，電流變液的切應力超過規定的臨界值時，電流變液才會隨之流動。在電流變液的力學性能研究階段，需要涉及到賓漢模型。但是賓漢模型具有的缺點是無法有效的描述切應力小于屈服應力時的理論性能。此外，屈服應力的動態測量也會顯示到該區域，電流變液表現為線性粘性性質時，輸入正應變，產生正弦變化曲線。僅僅是在初始相位角上具有不同，而且隨著電場強度的不斷增加，損耗模量增加而相角減少。這也意味著電流變液將會更加具有彈性特性。

此外，在屈服應力區引起電流變液流動，需要最小應力不必是賓漢屈服應力，而是靜態屈服應力。關于彈性極限屈服應力，該材料顯示不會具有復原性和永久性，也不是線性變化的極限，而是材料可逆變的極限到線性變化性，一般會在彈性極限的發生之前，性質如圖2的電流變液應力和應變的關系所體現。

電流變液產生的靜態屈服應力都具有相同的地位。根據電流變液已知的物理參數，從理論的角度上，計算屈服應力較為困難。為此，可以依據簡單的電偶極子模型。在電流變液的研究體系上，凸顯了電流變液的商業價值。所以，對于材料的配方以及力學性質的研究的具有較強的保密性，對此僅僅作出原理和理論上的討論[3]。

4 針對于電流變液在未來領域的應用及發展分析

應用電流變效應可以在工業領域實現新的創新與發展，并促進了電機耦合系統的改良與升級。通過應用電流變效應，為設計新一代的轉動離合器、制動器以及控制系統等提供重要的研究價值。這也使得電流變效應在計算機控制的工業領域下具有廣泛的應用前景。

圖2 電流變液應力和應變的關系

現階段，以電流變器件設計的類型包括兩類。第一類型中，電流變也位于有相對運動的機械部件之間，通過施加外在的電壓能夠改變電流變液的粘性，繼而控制機械部件之間的力矩大小，如離合器部件、制動器部件和阻尼器部件。圖3為用電流變效應設計的汽車轉動離子機構示意圖，這也進一步體現了電流變效應理論的綜合使用。

圖3 汽車轉動離子機構示意圖

據目前的市場研究顯示，汽車工業是電流變電器最大的潛在發展市場。對此，可以將電流變效應與汽車工業相互結合，使汽車制動器以及其相應設備的設計升級，改變部件的基礎性能。第二類型的電流變器件的基本原理為：電流變液可以在管道內運動，通過外加電壓的作用來改變流體的粘度，進一步實現控制流體速度。例如，液態閥便是基于此電流變電器的原理而設計。

在電流變液的研究前景上，還可以與復合材料、光纖傳感器相互結合，繼而研究現代新型光纖智能化復合材料，并將其應用于智能化監控系統中。通過以該特性設計與開發的智能化監控系統，可以突出顯示較高的環境特性，進而能夠根據環境的特性予以實時變化，滿足人們的基本需求。

5 結 論

電流變液作為商品在市場中的應用，具有穩定性、節能性、無腐蝕性等相關特點。目前，電流變液性能已經完全滿足制造支架和阻尼器的設計需求，但是在較高層次的需求之外，還需要進行深層次的研究設計。經過近百年的研究分析，電流變液的機理和材料性能以及應用都取得了較大的突破，相信在不久的未來，電流變液的應用將會取得新層次的進展，進而應用于各個工業部門，促進我國工業的快速發展。