基于電流變液結(jié)構(gòu)的光柵衍射實驗研究

關(guān)鍵詞 電流變液;衍射;光柵;鏈狀結(jié)構(gòu)

電流變液作為一種智能材料的復(fù)雜液體，通過外電場可以改變其屈服應(yīng)力和彈性模量等物理性質(zhì)[1，2]。電流變液一般由具有高介電常數(shù)的介質(zhì)微粒和具有低介電常數(shù)的基礎(chǔ)液構(gòu)成。在外加強電場下，電流變液中的固體顆粒受電場極化作用獲得感應(yīng)偶極矩，使得電流變液性能發(fā)生改變，電流變液可在液態(tài)與類固態(tài)之間快速轉(zhuǎn)換。獲得感應(yīng)偶極矩的電流變液固體顆粒排列成有序的鏈狀結(jié)構(gòu)，鏈狀結(jié)構(gòu)在電場下聚合成柱狀態(tài)，大量的電流變液顆粒在電場下將會形成鏈狀或柱狀長鏈[1，3]。

在過去70年中，人們對于電流變液的研究主要著手于電流變液的力學(xué)性質(zhì)與電流變液顆粒的合成。不同于以往，我們發(fā)現(xiàn)在一定條件下該鏈狀或柱狀條紋結(jié)構(gòu)可能為周期性排列。若將周期性分布的柱狀長鏈視為不透光部分，基礎(chǔ)液視為透光部分，電流變液在一定條件下可形成類似光柵的結(jié)構(gòu)[3]。近年，有人嘗試利用電流變液在一定條件下形成的光柵結(jié)構(gòu)實現(xiàn)光柵衍射[4]，用激光照射在均勻電場作用下的電流變液，可觀察到明暗交替的衍射條紋。以前的工作存在實驗設(shè)計簡單，條紋結(jié)構(gòu)與衍射圖樣不清晰，對于電流變液濃度等變量沒有進行定量討論的缺陷。因此，我們設(shè)計了相應(yīng)的實驗方案，實現(xiàn)了對電流變液的直接觀察，并重點定量討論了電場強度與濃度對電流變液光柵結(jié)構(gòu)清晰程度、光柵常數(shù)與狹縫寬度的影響。

1 基于電流變液的光柵衍射實驗

1.1 顆粒合成與電流變液調(diào)配

稱量12.68g 的草酸二水合物緩緩加入至100mL超純水中，攪拌均勻得到A 溶液。量取17mL鈦酸丁酯與100mL無水乙醇混合得到B溶液。稱量9.94g氯化亞鐵四水合物緩慢加入到200mL無水乙醇混合得到C 溶液。緩緩將B 溶液倒入A 溶液，一邊混合一邊攪拌得到D 溶液。將D溶液與C溶液混合，利用攪拌機攪拌6h，隨后靜止8h。將過濾出的沉淀物用酒精清洗，干燥后放入行星球磨機研磨得到電流變液顆粒。

將電流變液顆粒與硅油以質(zhì)量比例為1∶1混合，放入行星球磨機研磨得到電流變液原液。配置電流變液時，將電流變液原液與硅油混合，電流變液濃度采用質(zhì)量分數(shù)，濃度為電流變液原液質(zhì)量/電流變液原液和硅油的總質(zhì)量，如濃度為5%的電流變液是由5g電流變液原液和95g硅油混合。

1.2 實驗裝置與實驗設(shè)計

將安裝有電極的載波片固定在夾持裝置中，并將質(zhì)量分數(shù)為5%的電流變液均勻分散在載玻片上。打開高壓電源，調(diào)節(jié)適當(dāng)電壓（約600V/mm），此時電流變液逐漸形成類似光柵的條紋結(jié)構(gòu)。打開激光器，532nm 的激光依次經(jīng)過擴束鏡與光闌，激光高頻部分被過濾，使得激光基頻部分透過。激光穿過100mm 凸透鏡和150mm 凸透鏡變?yōu)槟芰糠植季鶆虻钠叫泄馐獍叽笮】烧{(diào)節(jié)[6]。經(jīng)反射鏡1反射后，平行光束到達夾持裝置處的電流變液，并在該處發(fā)生夫瑯禾費衍射，衍射光束經(jīng)反射鏡2后投影至遠處觀察屏上。在觀察屏上觀察衍射圖樣，待衍射圖樣穩(wěn)定后關(guān)閉高壓電源。通過三維移動與水平裝置調(diào)整夾持裝置位置，使得平行光束垂直入射條紋結(jié)構(gòu)清晰明顯處。利用坐標(biāo)紙和游標(biāo)卡尺記錄下觀察屏上衍射圖樣數(shù)據(jù)。將定標(biāo)尺放置在倒置顯微鏡下，用CCD拍照記錄。取下定標(biāo)尺，將載波片放置于倒置顯微鏡上，利用CCD觀察并拍照記錄電流變液形成條紋結(jié)構(gòu)，將條紋結(jié)構(gòu)照片與定標(biāo)尺照片對比，計算出狹縫寬度與光柵常數(shù)，如圖1所示。

2 實驗結(jié)果

2.1 衍射實驗結(jié)果

（1） 在外加電場下，電流變液由未加電場時的均勻分布變?yōu)闂l紋結(jié)構(gòu)，約40s條紋完全形成，120s左右條紋穩(wěn)定。

（2） 存在臨界電場，約為300V/mm，低于臨界電場無法形成清晰穩(wěn)定的條紋結(jié)構(gòu)。臨界電場與電流變液濃度有關(guān)，濃度低時臨界電場較小，濃度高時臨界電場較大。

（3） 電場強度僅影響條紋形成速率不影響條紋結(jié)構(gòu)，電場強度高時形成速率快，電場強度低時形成速率慢。

（4） 條紋結(jié)構(gòu)與衍射圖樣受電流變液濃度影響較大。多次實驗得當(dāng)濃度為7% 時實驗效果最優(yōu)。

（5） 形成的條紋結(jié)構(gòu)受到電流變液濃度的影響。

濃 度過高時，電流變液不能完全分散，同時條紋間距較窄，密度較高，呈多鏈結(jié)構(gòu)，條紋交疊難以辨認。

濃度過低時，條紋間距較大，密度較低，但是其流動性強，條紋結(jié)構(gòu)易被破壞。難以穩(wěn)定成鏈，可觀察到大量空缺或條紋斷裂。

濃度適中時，條紋成鏈明顯，清晰筆直，既無局部聚集，也無局部缺陷。條紋間距與寬度適中，光柵常數(shù)和狹縫寬度適中，條紋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

（6） 衍射圖樣受到電流變液濃度的影響，如圖2所示。

濃度過高時，激光無法穿透電流變液，衍射圖樣模糊。

濃度過低時，由于光柵常數(shù)與狹縫寬度較大，衍射光斑級數(shù)較少。大多只能觀察到中心亮點，難以觀察到明顯衍射圖樣。

濃度適中時，各衍射極強間距適中，衍射圖樣清晰明顯，可觀察到多級衍射光斑。衍射圖樣較為穩(wěn)定。

2.2 電流變液濃度定量實驗

將電流變液均勻分散在三維移動支架的載玻片上，施加電壓，電流變液逐漸形成鏈狀結(jié)構(gòu)。將CCD記錄下的圖片與定標(biāo)圖片比較，計算出條紋間距與條紋寬度。利用電子天平稱量電流變液原液與硅油，配置不同濃度的電流變液，濃度采用質(zhì)量分數(shù)（電流變液原液質(zhì)量/電流變液原液和硅油總質(zhì)量）。采用不同濃度的電流變液重復(fù)上述實驗，觀察記錄實驗結(jié)果，繪制關(guān)系圖。改變電極間距離，分別設(shè)置為20mm 和5mm 進行上述實驗。

得到的實驗結(jié)果為：

（1） 電極間距為20mm 時，在靠近電極處可觀察到周期性排列的單鏈條紋，載玻片中心多呈現(xiàn)柱狀條紋，柱狀條紋由單鏈條紋聚合而成。相同條件下，柱狀條紋的條紋間距與條紋寬度具有隨機性。

（2） 電極間距為5mm 時，電流變液在載玻片中多呈現(xiàn)完整的周期性單鏈條紋，故形成的條紋結(jié)構(gòu)具有尺度效應(yīng)。

（3） 單鏈條紋的條紋間距與條紋寬度與濃度有關(guān)。電流變液濃度增大時，條紋間距減小，條紋寬度增大。在濃度范圍為2.5%～7.5%區(qū)間我們繪制了函數(shù)圖像，如圖3所示。當(dāng)濃度高于7.5%時會有概率聚合成柱狀條紋，當(dāng)濃度低于2.5%時單鏈條紋寬度過細，穩(wěn)定性差，會隨布朗運動與擴散被破壞。

3 結(jié)果分析

3.1 衍射結(jié)果分析

（1） 根據(jù)夫瑯禾費衍射公式[7]，當(dāng)電流變液濃度高時，光柵常數(shù)d 較小，光強主極大間距Δx較大。當(dāng)電流變液濃度低時，d 較大，光強主極大間距較小。多次實驗得到，電流變液濃度選擇恰當(dāng)時，條紋間距約為0.2～0.35mm，衍射圖樣光強主極大間距約為3.5～6.0mm，各衍射光強主極大區(qū)分明顯。以一次實驗數(shù)據(jù)為例，激光波長λ=532nm，光柵到屏距離z=2.3m，光柵常數(shù)d=0.2275mm， 計算可得光強主極大間距理論值Δx=5.38mm，測量得光強主極大間距實際值Δx'=5.73mm， 光強主極大間距理論值與實際值誤差為6.50%。

（2） 當(dāng)電流變液濃度高時，比值a/d 較小，當(dāng)級數(shù)n 取較大時，仍有較大光強，易于分辨。當(dāng)電流變液濃度低時，比值a/d 較大，當(dāng)級數(shù)n 取較大時，光強相對較小，與雜光光強接近，難以分辨。當(dāng)比值約為0.3可觀察到±4級衍射光強主極大，當(dāng)比值約為0.7僅能觀察到±2級衍射光強主極大。但若電流變液濃度過高時，比值a/d 過小，將導(dǎo)致透過率過低，難以觀察到衍射圖樣。

3.2 濃度定量結(jié)果分析

（1） 條紋形成過程為電流變液顆粒在基礎(chǔ)液中形成球狀小團簇，小團簇在外加電場下產(chǎn)生極化作用，極化顆粒連接成單鏈條紋，相鄰的條紋之間存在電磁相互作用互相吸引，聚合成多鏈條紋，多鏈條紋吸引附近游離的電流變液顆粒，聚合成柱狀條紋。

（2） 條紋形成過程中，臨近電流變液顆粒會先形成短鏈，短鏈再連接成完整的單鏈。由于短鏈在硅油中擴散運動，并且電場會促使其運動，在條紋形成過程中短鏈有較大概率向臨近的短鏈靠近。短鏈之間存在電磁相互作用會彼此吸引，最終表現(xiàn)為臨近的單鏈會聚合成多鏈。由于擴散運動存在一定的隨機性，故多鏈所包含的單鏈數(shù)量是隨機的，每條多鏈由2～4條單鏈聚合而成，因此形成的柱狀條紋寬度與間距存在隨機性。

（3） 短鏈在接觸到電極時會停止運動，故靠近電極處更容易形成單鏈條紋，而載玻片中心距電極遠，此處的短鏈有更多機會與鄰近短鏈吸引、結(jié)合形成柱狀條紋。若縮短電極距離，處在載玻片何處的短鏈都距離極板較近，故更大概率形成完整的單鏈條紋。因此條紋形成具有尺度效應(yīng)。

（4） 當(dāng)電流變液濃度均勻時，載玻片中電流變液顆粒排布規(guī)律，在勻強電場下會形成周期性單鏈條紋結(jié)構(gòu)。濃度高時，單位面積內(nèi)電流變液顆粒物質(zhì)量多，形成的小團簇大，故單鏈條紋寬度大，形成的小團簇數(shù)量多，故單鏈條紋密度高，條紋間距小。

3.3 誤差分析

本實驗誤差主要來源于電流變液的沉降與電場分布。電流變液的沉降作用是電流變液研究中無法避免的問題，由于沉降會導(dǎo)致局部濃度不均勻，而影響條紋結(jié)構(gòu)。因此我們增加了對電流變液顆粒研磨時間與電流變液混合時間，同時確保每次實驗使用新制備的電流變液，以降低沉降。若電場不夠均勻，即便是微小的傾斜都會導(dǎo)致形成的條紋結(jié)構(gòu)彎曲，因此實驗重新對實驗裝置進行了設(shè)計與改進，以確保電場盡可能接近勻強電場。

4 結(jié)語

通過配比合適濃度的電流變液，我們使用電流變液的周期性鏈狀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了液體結(jié)構(gòu)衍射光柵的實驗。我們通過定量實驗來分析條紋的形成方式，詳細給出了實驗過程和結(jié)果分析，著重分析了鏈狀條紋的周期性以及柱狀條紋的隨機性。我們給出了濃度與單鏈條紋寬度與間距的基本關(guān)系。通過本實驗，我們定量給出了電場下電流變液鏈狀結(jié)構(gòu)的形成，這讓我們對電流變微觀機理有了進一步的認知。