奇异的电磁流变液体.doc

奇异的电磁流变液体 王 振 东 在常温常压下，物质可分为固体、液体和气体三种状态，也称为三个相如水蒸气、水和冰，就是三个相任何人都容易使用一台冰箱和一个低浅容器，将水（液体）冻成冰（固体），然后又可再取出冰（固体）来加热，使其化成水（液体）但是，你能在几秒钟或更短的时间内，将液体固化，然后又将其液化吗？“T—1000型终结者”，是在电影“终结者之二：世界末日（Terminator 2:Judgment Day）”里出现的科学幻想机器人它几乎是不可摧毁的，能够毫不费力地使液态和固态相互转换它的液态金属皮肤，如果被子弹射穿，就能马上使弹孔融合；如果被打成碎片，也能马上熔化，并再凝结恢复为原样这样的科学幻想能实现吗？电流变或磁流变液体，正好为影片制作者的这一科学幻想，提供了实现的可能本文将介绍能实现这种科学幻想的智能性材料—电流变液体和磁流变液体它们是一种在电场或磁场里，可发生状态变化的物质根据其所受场强的不同，它们可像水一样流动，也可像蜂蜜那样黏稠，还可以像骨胶一样固化而这种物质，从一种状态转变为另一种状态，所需时间又很短  磁流变制动器的小实验 简单的磁流变制动器的示意图如下图所示。

实验用的磁流变液体（Magnetorheological Fluids，以下简称MRF）由铁屑和玉米油组成用放大镜能鉴别出铁屑的单个颗粒，但其长度应全部小于0.5毫米MRF由按重量计的25份玉米油对100份铁屑揽拌混合而成 杆由不可能被磁化的材料做成，如塑料或铝为更好地观察实验结果，可用一塑料盘与位于MRF中的杆端相连接杆与透明塑料容器间放橡皮环，以使液体不泄漏电磁铁可用几伏特的电源供电，也可用强有力的永久磁铁来的取代电磁铁  磁流变实验器示意图 在未施加磁场之前，杆的旋转几乎没有阻力；当磁场加上时，液体马上就固化了，杆己很难转动；但一旦去除磁场，容器内的MRF材料又立即液化，杆又可自由旋转了这就是花钱虽不多，却能在几秒钟之内将液体固化，然后又将其液化的磁流变制动器的小实验  电流变液体及其性能 美国科学家Winslow W.M.在1947年，以专利形式公布了他以8年时间研究发现的电流变液体（Electrorheological Fluids，以下简称ERF）他将一些半导体型的固体颗粒，分散在低黏、绝缘性良好的油中，再添加一些分散剂，制得悬浮体当加上一定的电场场强时，很薄一层ERF的表观黏度，就能增大几个数量级，甚至出现明显的固化现象。

当去掉电场后，液体的表观黏度又迅速恢复原样后来，人们将这种可逆的黏度突变效应，称为电流变效应，或Winslow效应 但对ERF引起重视，却是20世纪80年代之后的事这主要是人们逐渐看到了ERF，有许多可供发展的技术和工程应用的奇异性能 这些可被利用的主要特性是：（1）           1. 在电场作用下，液体的表观黏度或剪切应力能有明显的突变，可在毫秒瞬间产生相当于液态属性到固态属性间的变化2）            2.这种变化是可逆的，即一旦去除电场，可恢复到原来的液态3）            3.这种变化是连续和无级的，即在液-固、固-液的变化过程中，表观黏度或剪切应力是无级连续变化的4）            4.这种变化是可控制的，并且控制变化的方法简单，只需加一个电场；所需的控制能耗也很低因此运用微型计算机进行自动控制有广阔的前途 由以上奇异的特性，人们将ERF称为“智能性材料”，也有人称它为“聪明流体” 今天的电流变液体，己不再是20世纪40年代时那种较简单的混合体除了介电常数和黏度较低的基液、和极化特性很高的固体微粒两种关键成分之外，往往还含有活化剂和分散剂分散剂的作用，是防止微粒在无电场时相互粘合。

活化剂的作用机制还不完全清楚活化剂（往往使用水，有时用酒精）里含有杂质，通常是溶解盐一般认为，水受油质悬浮液排斥，而聚集在微粒表面，而溶解盐在电场作用下被极化，其电荷增强了微粒的固有极化 电流变液体是有复杂性质的悬浮体系，是一种典型而又复杂的非牛顿流体 1987年以前，ERF研究只在美、英和前苏联等少数国家保密速行，目前世界上己有美、英、日、德、法、俄和我国等十多个国家在进行研究对电流变现象的机理，也己了解得越来越清楚，在ERF材料的选择上也有长足的进展对ERF的工程应用，己提出许多诱人的设想   电流变现象的机理 电流变现象之所以引起科学家们的极大兴趣，不仅仅因为ERF这种材料具有实用的物理性能，而且还因其有错综复杂的结构当流体自由流动时，ERF中微粒的运动相互之间没有关系；当液体在电场作用下变成固态时，微粒连结成肉眼可见的细链和粗柱状 电流变机理示意图左为无外加电场时，右为有外加电场时 微粒在电场的作用下，不论其运动方向如何，其两极或上或下始终指向电极，从而使微粒吸合在一起，首尾相连，排列成行，构成长链这种情况，就好像铁屑在磁场作用下沿磁力线（磁感线）的排列一样电流变液体内的微粒链迅速形成，并在容器内从一端延伸至另一端，这就是流体迅速固化的关键因素。

 实验中发现，柱状体的形成要比预期的快，这与微粒的布朗运动有关布朗运动是1827年由苏格兰植物学家R.布朗首先发现的液体内悬浮微粒不停顿的随机运动，其成因是微粒和大量液体分子之间的碰撞在ERF中，悬浮微粒在受到液体分子从各方面的冲撞时，就围绕其在链中的平均位置作不规则运动因此，尽管微粒链总的来说可能是直线，但在某一时刻，却因布朗运动的影响而发生弯曲这种轻微变形，却又增强了各链之间的互相吸引力，并促使各链聚集成柱状体 ERF在电场作用下固化后可承受机械力像其他固体材料那样，其发生破坏的应力大小称为屈服应力此时微粒链断裂，材料开始流动为了某种工程应用，希望屈服应力尽可能大些 在研究过程中，人们还不满意现有的ERF，因为它的屈服应力不够高近几年己开始研究屈服应力更高的磁流变液体（MRF）流变学是研究材料流动与变形的学科，深入地研究这些问题，正是流变学的研究范围  令人振奋的应用前景 电或磁流变液体的应用前景，是十分令人振奋的己见到申请专利的元器件，有离合器、液压阀、减振器等等下面将就其原理作一简单的介绍 1、电流变离合器 将电流变液体充于两个圆筒或平板之间当ERF形成固态时，就迫使传动轴转动；而当它变成液态时，就使发动机脱离传动轴，而自由旋转，好像处于空档一样。

两个筒或板之间的转速比，也可以调节这样的离合器几乎不存在零件磨损，或损坏的问题而且这样的离合器结构简单，噪音低，反应时间仅为千分之几秒，使纯机械的离合器望尘莫及                           同轴圆筒型和平行板型的离合器 2、电流变减振器 同心圆筒固定电极阀式减振器，在同心圆筒间充满有ERF，来源于电流变效应的阻力，阻止了流体在同心圆筒间的流动当活塞（内圆筒）运动时，微型计算机可以立即调节电极电压，以改变ERF的黏稠度如用在汽车上，毫秒级时间的迅速反应，有可能在活塞运动冲程的中途，就提高了流体的黏稠度，以减缓因道路不平而造成的颠簸随后，流体又可变稀，再迅速复原因此一种减振器，就可适合各种车辆和工作环境                                                电流变减振器示意图 滑动平扳型减振器，是在两滑动板间充满ERF来源于两滑动板间流体电流变效应的阻力，产生剪切力，并由此引起压力增大 3、电流变液压阀 将电流变液体注入一狭缝容器中，通过电场控制REF的黏稠度，以起到节流阀和开关的作用当ERF固化时，就使流动完全停止，从而关闭了流经细管段的液流。

这种电流变液压通路“阀”，也可以设计成同轴圆筒型或平板型还可将几个ERF通路，按一定的方式组合在一起，做成特殊用途的装置液压系统有希望采用ERF通路“阀”，而成为新的液压系统，它比传统的液压系统反应还要迅速                     电流变通路“阀”示意图 4、机器人的活动关节 在机器人领域中，可用ERF制造出体积小、反应快、动作灵活、直接用微机控制的活动关节如今，简易的机器人己在从事工业中的许多工作如果有非常灵巧的电流变活动关节，就可以完成能迅速做出反应的更复杂的事，比如说接棒球、绕精细金属丝等T—1000型终结者”那样的科幻机器人，将会更早的出现 目前己有人提出，寻找一种既具有电流变效应，又具有磁流变效应的微粒，制造电磁流变液体（EMRF）这种粒子和悬浮液，不仅可以受电场的作用，产生电流变效应；而且还可以受磁场的作用，产生磁流变效应电流变液体、磁流变液体、电磁流变液体的研究和技术正刚刚开始，还没有进入成熟的阶段，从基础理论到应用技术，都还有许多问题有待研究解决但可以预期：电磁流变液体这一高新技术，必将促使新一代的机电一体化器件出现，并会在汽车、机械、航空、航天、石油、化工和其他工业部门，得到广泛应用。

   参考文献1.王振东、武际可，力学诗趣［M］，天津：南开大学出版社，19982.Klingenberg D.J，鲁兰译，用磁铁将液体制成固体［J］，科学，1994（2）： 75—763.Halsey T.C,Martin J.E,董淳译，电流变液体［J］，科学，1994（2）：29—334.郝田、陈一泓，电流变学研究进展［J］，力学进展，1994，24（3）：315—335（原刊登于《力学与实践》1998年20卷6期）。