维普资讯 http://www.cqvip.com 专题 电流变材料及其工程应用 魏克湘，朱石沙，王启新 （湘潭大学机械工程学院，湖南湘潭４１１１０５） 摘要：简述电流变材料的组成、特性及其工程应用的研究进展情况，并对电流变技术今后的发展提出了建议。 关键词：电流变液；材料研究；工程应用 中圈分类号：ＴＭ２４２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９－９４９２ ｆ２ＯＯ２）０５－００１９＿ｏ２ 电流变液（ＥＲＦ）是一种流变特性可受外加电场控制 的智能材料。由于在外电场的作用下，其表观粘度和抗剪 屈服应力能随电场强度的增大而增大，当电场强度增大到 导电层均由导电性能良好的材料做成，如铜、银、铝、石 墨、硅和锗等。绝缘层或控制层是覆盖在导电层外的一层 薄膜，其功能是控制和束缚导电层极化后的电荷不致逸 散，同时控制两相邻复合粒子极化后电荷的相互作用。此 外，也控制着粒子与基础之间的相互作用。作为一种绝缘 某一值时，电流变液将实现由液态向类固态的转换，且这 种转换是快速（一般为ｍｓ级）可逆的，这引起了工程技 术人员的广泛关注ｌｌ １＇］ｌ。 体，绝缘层的材料要有高的电阻和高的电击穿强度，或低 的电导率。用于电流变液的绝缘材料有二氧化钛、二氧化 硅、四甲基正硅氧烷、四乙基正硅氧烷等。 １ 电流变材料的组成 电流变材料通常由可在电场中产生极化的固体粒子、 低介电常数的绝缘基础液和电敏物质添加剂三部分组成…。 其中固体粒子材料的性能决定电流变性能的强弱，是 绝缘基础液主要影响电流变液的沉降性和其零电场下 的粘度，目前，常用的基液有硅油、食用油、煤油、矿物 油和氯化石蜡等。 常用的电敏物质添加剂有离子型表面活性剂、非离子 型表面活性剂和两性活性剂。添加剂的作用主要是对电流 变效应起促进作用和增强电流变液的稳定性。 电流变液的关键组分。常用的固体粒子材料有： （１）无机化合物 自从Ｗｉｎｓｌｏｗ在４０年代发现电流变效应以来，无机材 料一直是研究较多的一类。无机材料基本上都是离子型的 金属和非金属化合物 用无机化合物作成的固体粒子可分 作两类，即金属的氧化物和金属盐类的无机化合物，包括 二氧化硅、二氧化锡、二氧化钛、氯化亚铁、三氧化二 ２电流变材料的特性 电流变材料在电场作用下，将发生电流变效应，即液 体的流动阻力或剪切应力将随电场的变化逐步发生变化。 这一过程可以用以下的公式来描述 ，即 Ｊ． 铝、氧化亚铜、石灰石、钛酸钡、钛酸钙等。 （２）有机高分子材料 Ｔ－－ｔｔ０ ＋ＴＲ（ 【ｌ凡 有机高分子材料近几年发展较快。它的最大优点是密 度小，质地软，可有效解决电流变液的沉降和材料对器件 的磨损问题。同时，高分子种类丰富，其分子结构容易改 性设计，从而能获得理想的电流变液。目前，用于电流变 液的高分子材料主要有两类：第一类具有大叮Ｔ键共轭型的 电子结构，这类高分子材料大多数为有机半导体类的高分 子化合物；第二类是在大分子长链上含有极易被极化的极 性基团，主要是电解质高分子材料。 （３）复合材料 复合材料粒子一般由两种或两种以上不同性质的材料 组成。其典型结构为核／壳结构 ：以导电或半导电材料 做成的内核——导电层，以绝缘材料做成的外壳——绝缘 式中：Ｔ一液体流动时所产生的剪切应力； Ｔ 一ＥＲ液体在电场作用下的电致屈服应力； 厂基液的粘度； 山／（１＾一液体在与流动垂直方向上，单位距离 的剪切速率。 在零电场下，Ｔ ：０，此时的电流变液体具有牛顿流体 的性质，即ｕ 保持为常数，Ｔ随ｄｖ／ｄｈ的增大而增大。当 施加电场后，ＴＲ（Ｅ）逐步增大，此后的Ｔ由两部分组成，流 体具有Ｂｉｎｇｈａｍ流体的性质。当电场足够大时，Ｔ （Ｅ）趋向 无穷大，液体固化，液流截止。 ３电流变材料的工程应用 目前，电流变液体应用研究的领域十分广泛，主要有 振动技术、液压控制、动力传递等领域。 层或控制层。导电层的作用主要是使复合粒子有良好的极 化能力，即应使粒子在电场作用下能够迅速地极化。一般 收稿日期：２ｏｏ２—０３一ｌ２ ［二］ Ⅱ］ 维普资讯 http://www.cqvip.com 综述 （１）振动技术领域 在电流变液各种应用的研究中，以电流变液减振器或 电流变液体联轴器能根据需要，在某一范围内传递任意大 小的力矩。同时，由于离合器的工作介质是电流变液体， 在工作过程中，能吸收系统的振动，降低噪音和磨损，使 器件的工作寿命延长。 图３为电流变液离合器的结构示意图［６１。在作为正电 极的内筒和作为负电极的外简间装满电流变液，将输入轴 和输出轴分别联于内外简上。无电场时，内外简处于 “离”的状态，输出轴无力矩和速度输出；有电场时，内 外筒间的电流变液固化，输入轴的转速和力矩通过固化的 隔振器等减振装置的研究最多，也显示出最佳的效果。因 为减振器为一封闭型流体流动的系统，其电流变液容量较 少，故所需电流变液的成本较低，装置也简单。且减振器 在抑制系统振动的同时，系统的振动也可减少电流变液的 沉淀。 图１为一种电流变液减振器的工作原理图 。工作原 理为：当外部冲击力作用在活塞杆上时，推动活塞挤压腔 内的电流变液，使电流变液在电极间流动。改变加于电极 间的电场强度，即可改变其间电流变液的流动阻力大小， 实现对冲击力的缓冲和吸收。其主要优点是可根据振动力 的大小来调节阻尼系数，以实现对振动力的半主动控制。 （２）液压控制领域 电流变技术在液压控制中的应用主要是利用电流变液 电流变液传给输出轴。改变电场强度大小，就可改变输出 的转速和力矩大小。 出１ 的特有优点，开发各种电流变液体阀代替传统的液压阀， 以实现无移动件或少移 动件的液压控制系统， 提高系统的动态响应特 极 性。 图３ 电流变液离合器的结构示意图 电流变液体阀的基 本工作原理是：工作介 质为电流变液，在阀中 设计一电极流动场；由 于通过阀的电流变液， 此外，电流变技术也应用于机器人技术、传感器、流 体密封等领域。 ４ 结束语 由于电流变技术在工程上的应用，完全取决于电流变 液体的性能能否满足工程应用的要求，而目前所能制备的 ＥＲ液体，无论是从性能还是价格，都还远远不能达到工 程应用的标准［１１。因此，大力加强高性能电流变材料的开 其表观粘度可在电场的 图ｌ 电流变液减振器的工作原理图 控制下在一定的条件和 范围内实现无级调节，因而在恒流量时，可实现通过阀时 发，研制出完全满足实用要求的电流变液，仍是目前电流 变技术的研究重点。同时，应加强电流变液装置的结构设 计，使装置的结构更能发挥电流变效应，以便设计出结构 合理、实用、成本低、能充分发挥电流变效应作用效果的 新型电流变装置。 参考文献： 进出口间压力差的无级调节，或在定压差下，实现流量的 无级调节。 图２为一电流变流体动力传输的系统原理图［３１。其工 作过程为：当控制信号ＡＥ＝０时，电信号控制器输出零位 电压（Ｅ。）到电流变流体控制元件的两对桥臂，两桥臂输 出等量、等压的电流变液到负载的左、右控制腔，负载保 持中位。当控制信号△ ≠０时，电信号控制器输出两路电 压控制信号（Ｅ。＋ＡＥ和Ｅ。一△Ｅ）到ＥＲ。、 ３和ＥＲ２、ＥＲ ， ［１］魏辰官．电流变技术［Ｍ］．北京：北京理工大学出版社， ２０００． ［２］魏辰官．一门有发展前景的高新技术——电流变技术［ＪＪ，中 国工程科学，２ｏ００，２（１）：１８． 在负载的两端产生压力差，使负载产生运动。改变电场信 号的大小和方向，就可改变流体动力传输的流量和方向。 （３）动力传递的应用研究 变流体 元件 ［３］朱石沙．电流变流体在液压技术中的应用［Ｄ］．北京：北京理 工大学，２００１． ［４］ 张建华等．电控流变智能材料的研究进展及其设计［ＪＪ．机械 动力传递的 应用研究主要是 工程材料，２００１，２５（３）：７． ｆ５］ 中野正身等．ＥＲ流体老用 、 可变 展开［Ｊ］、计测匕制御，１９９５，（９）：７０７． ［６］Ｇｉｎａ Ｇｏｌｄｓｔｅｉｎ．Ｅｌｅｃｔｒｏｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｆｌｕｉｄ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｂｅｇｉｎｓ ｔｏ Ｇｅｌ［Ｊ１．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９０，ｌ１２（１０）：４８． ， 匕振动制御 新 电流变液联轴器 或离合器的开发 应用。传统的离 凰 合器是一种纯机 械装置，只能传 第一作者简介：魏克湘，男，１９７３年生，湖南隆回人，硕士研究 生。研究领域：机械设计及电流变技术的应用。已发表论文４篇 图２ 电流变流体动力传输系统图 递恒定力矩，而
