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电流变液性能及制备 韦佳佳, 李 酽，刘 刚 中国民用航空学院理学院，天津 300300 liyan01898@163.com 摘 要：本文介绍了电流变液力学、光学性能，以及电流变效应的四种理论 模型，特别对电流变液的制备技术进行了详细的综述与讨论。指出了电流 变液研究亟待解决的问题及研究热点。 关键词：电流变液；制备；性能；机理 电流变液是一类均匀的悬浮液体系。基于其在电场中流变性能会发生显著变化这种优良 的机电耦合性能，可作为便于控制、连续可调的阻尼介质，广泛用于民用航空、机械工程、 控制工程和机器人等领域。因其特殊的光学特性，可以用于各种光学器件及光学控制系统。 本文介绍了电流变液的性能、电流变机理，重点对电流变液的制备进行了综述与讨论。 1 电流变液的性能与机理 1.1 电流变液的性能 1.1.1 力学性能 静屈服应力 （τ）是电流变液在流动前所能承受的最大静态剪切应力，它随电场强度 S 增大而急剧增大，且重量比越大，增大得越快。当电场强度达到某一临界值时趋于饱和。实 [1] 2 验表明 ，在较低电场强度下，τ∝E ；反之，τ∝E 。添加剂是影响τ 的一个重要因素。 S S S 在一定范围内使用较高介电常数和较低漏电流的添加剂可以有效提高电流变液的性能[2] 。无 添加剂时，电流变液的τS 与E 呈近似线形关系，而有添加剂时呈非线形关系，可近似用二 次多项式进行拟合[1] 。电流变液开始流动后，维持使其继续变形的是一个比静态屈服应力小 的力——动态屈服应力 （τ），对于同一体积比的电流变液，动屈服应力较静态屈服应力 l 约小25%左右[ 3] 。τ随重量比或电场强度而增大。目前对于电流变液动态特性的研究只限 l [4] [5] 于低电场强度 。茅海荣等 对电流变液准静态挤压过程中的力学行为进行了研究，发现在 外加电场作用下，电流变液有一定的压缩应力，而且随电压的升高和压缩量的增大而增强。 [6] ：第一阶段，拉伸应力随应变的微小变化呈线形急剧增加， 电流变液的拉伸可分为三个阶段 应变值小于0.05；第二阶段，拉伸应力增加减缓，拉伸应变增加较快，并很快达到一个最大 值，称为电流变液的屈服阶段；第三阶段，拉伸应变继续增加，拉伸应力的增加也缓慢降低 到零。称为屈服后电流变液的粘连阶段。各力学特征量之间的关系为[6] ：压应力约为相同电 场作用下静态屈服应力的 10 倍，是拉应力的2～3 倍，拉应力是相同电场作用下静态屈服应 力的3～4 倍。应用上述力学性能可开发出各种工程应用器件。例如利用电流变液屈服应力 特性制造电流变液光栅、艺术印刷中的ER 油滴等。基于电流变液的压缩效应，则可制造减 震器件，有研究者将电流变阻尼绞应用于机翼操纵面[7] ，并进行了风洞实验，结果证明通过 - 1 - 控制增加电流变液阻尼绞的阻尼可提高机翼操纵面的颤振临界速度VF 达到颤振目的。 1.1.2 光学特性 未加电场时，电流变液内固体颗粒分布杂乱无章，因此，在光入射时，经颗粒多次吸收 和散射，透光率不高。施加电场后，在电场作用下，自由态固体颗粒沿电场方向首尾相接成 链，并与两极板相连接，链与链之间的区域成为光的主要通道，使得透光率上升。在一定的 电场作用下，透光率开始时迅速增加，继而趋于稳定值。电场强度越大，透光率增加得越快， 稳定值也越大；而在一定的场强下，体积比越大，透光率增加得越快。应用电流变液的这种 光学特性可以用来制造可调节光开关、红外光学材料、光栅常数可调节光栅以及光电流计等