第7章電(磁)流變液與智能控制

1、第7章 電(磁)流變液與智能控制7.1引述 電流變液(簡稱 ER流體)是由高介電常數(shù)、低電導(dǎo)率的電介質(zhì)顆粒分散于低介電常數(shù)的絕緣液體中形成的懸浮體系，它可以快速和可逆地對電場作出反應(yīng)。 其過程是，在電場作用下電流變液顆粒自身發(fā)生極化，由于極化顆粒間產(chǎn)生靜電引力而使顆粒排成鏈或柱狀結(jié)構(gòu)；當(dāng)外場高于某一值時(shí)，流體狀態(tài)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，流體類型也由Newton（牛頓）流體轉(zhuǎn)變?yōu)橘e漢(Bingham)流體；當(dāng)電場減弱或消失時(shí)，它又可以快速地恢復(fù)到原始狀態(tài)。 利用電流變液的特性，可以通過電場實(shí)現(xiàn)力矩的可控傳遞及其他方面在線無級的可逆控制，因而在機(jī)電一體化的自適應(yīng)控制機(jī)構(gòu)工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。 電流

2、變液研究價(jià)值極大，但目前制約電流變技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的主要因素是電流變材料的性能不能滿足工業(yè)要求，需要設(shè)計(jì)與制備高性能電流變材料來應(yīng)對實(shí)際需求。 ER材料主要通過吸收一定量的水或摻入一定量的其他小分子極性液體作激活劑以后才具有ER效應(yīng)。7.2電流變效應(yīng)的機(jī)理7.2.1作用在ER流體顆粒上的力 加電場時(shí)，ER流體顆粒上的作用力有范德華力、熱運(yùn)動(dòng)力、空間排斥作用力(浮力)和由于粒子對帶電離子的吸附產(chǎn)生的靜電力等。 加上外電場后顆粒被極化，粒子間有極化力作用。當(dāng)ER流體受到剪切力場時(shí)，粒子還受粘性力作用。 在靜態(tài)ER流體結(jié)構(gòu)中，主要由極化力控制，而且在低剪切速率下，極化力維持體系的結(jié)構(gòu)。在高剪切速率下，

3、粘性力占主導(dǎo)地位，它對平衡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)起破壞作用。7.3.2 電流變效應(yīng)的物理模型 7.3.2.1水橋與雙電層機(jī)制 水橋機(jī)制認(rèn)為，無電場時(shí)含有活動(dòng)離子的水分子被吸附在多孔粒子的孔隙內(nèi)，介電粒子之間不因水發(fā)生關(guān)聯(lián)。在強(qiáng)電場的作用下，活動(dòng)離子聚到粒子的一端，與相鄰粒子連接成鍵，這就像在相鄰顆粒間形成一種水橋，水分子像膠水一樣把顆粒粘在一起。這種水橋表面張力的宏觀作用形成了ER流體的剪切阻力，導(dǎo)致電場下ER流體的粘滯性提高。 “雙電層”機(jī)制認(rèn)為吸附水分的分散相顆粒表面攜帶電荷，帶電后的顆粒又吸 引附近的異號電荷，形成雙電層。施加電場后，雙電層極化發(fā)生扭曲變形，并在它們之間形成靜電引力。當(dāng)剪切運(yùn)動(dòng)發(fā)生時(shí)

4、，流體不僅要克服分子間的內(nèi)摩擦力，還要克服雙電層的靜電引力，因此剪切力大大增加，宏觀上表現(xiàn)為流體流變性能提高，產(chǎn)生電流變效應(yīng)。7.3.2.2介電極化機(jī)制 80年代后，英國的Block和Kelly以及美國的Filisko和ArmStrong等人相繼發(fā)現(xiàn)了“基本無水”和“基本無吸附水”的電流變液，大大提高了電流變液的應(yīng)用范圍。對這類無水型電流變液，人們提出了“介電極化”機(jī)制。即外加場作用下，電流變液中的球形介電顆粒獲得了感生偶極矩。 根據(jù)“介電極化”機(jī)制，當(dāng)流體發(fā)生剪切運(yùn)動(dòng)時(shí)，不僅要克服分子之間的內(nèi)摩擦力，還要克服由于電場作用而形成的靜電極化力，所以剪切力大大增加。宏觀表現(xiàn)就是流體的流變性能提高，

5、抗剪能力增強(qiáng)。 傳統(tǒng)的無機(jī)ER材料大部分靠吸水才具有ER效應(yīng)的。利用無機(jī)材料潛在功能時(shí)必須重新設(shè)計(jì)。 無機(jī)材料的最大優(yōu)點(diǎn)是功能性強(qiáng)，可以通過物理或化學(xué)方法對形態(tài)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整以改變其電性能，結(jié)合介電常數(shù)、電導(dǎo)率等介電性質(zhì)和界面狀況等因素對電流變效應(yīng)的共同作用，通過摻雜等改性方法給材料引入少量活性離子或使之半導(dǎo)化可以完善材料的物化性質(zhì)，設(shè)計(jì)并制備出性能更佳的新型無機(jī)ER材料。 無機(jī)ER材料的主要缺點(diǎn)是密度大，易團(tuán)聚造成電流變液中顆粒的懸浮穩(wěn)定性差；無機(jī)材料質(zhì)地較硬，對器件壁的磨損大；力學(xué)值仍需進(jìn)一步提高。解決這些問題是制備性能更優(yōu)的無機(jī)ER材料的主要任務(wù)。7.4電流變液材料的設(shè)計(jì)及制備7.4.1

6、聚合物基電流變材料性能與研制 聚合物基電流變材料是近幾年電流變材料發(fā)展較快的一個(gè)類型，國外也主要集中在聚合物電流變材料的研制。這種材料的最大優(yōu)點(diǎn)是密度小、質(zhì)地較軟，可以有效解決電流變液的沉降和材料對器件的磨損等問題，并有較好的力學(xué)值。 聚合物基電流變材料研制：一是合成具有高極性基團(tuán)的長鏈或網(wǎng)狀高聚物，對其進(jìn)行改性處理；二是合成聚合物半導(dǎo)體材料，通過摻雜或后處理對介電常數(shù)和電導(dǎo)率等介電性的調(diào)整。 這種聚合物電流變在電場作用下以離子極化為主，電導(dǎo)主要來自顆粒帶有的可移動(dòng)離子。為達(dá)到較好的電流變活性，聚合物底物及所摻入離子應(yīng)滿足以下要求。1)聚合物底物：鏈或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的規(guī)整性要好，以便在電場下產(chǎn)生大的

7、電偶極矩。2）摻雜離子：不同離子具有不同的離子半徑和電子云分布，適宜的離子摻雜可得到最佳的電流變效應(yīng)，所以要注意控制離子摻雜濃度，濃度太高導(dǎo)電率也增加，太低又起不到效果。離子型聚合物電流變材料 7.4.2電流變材料的多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 科學(xué)家預(yù)言高介電常數(shù)的絕緣外層包裹高導(dǎo)電核心結(jié)構(gòu)在高頻或?qū)掝l下更有應(yīng)用前景。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：1) 高導(dǎo)電核心可以提高顆粒的介電常數(shù)，增加顆粒的表面電荷，提供適宜的電導(dǎo)率；2）高介電常數(shù)的絕緣外層可以提高材料的耐電場擊穿能力并有效限制表面電荷的運(yùn)動(dòng)，提高鏈結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，絕緣層厚度越小，ER效應(yīng)越大；3）在交流電場下，外層材料的介電常數(shù)與基液介電常數(shù)的比值越大，ER效應(yīng)越大

8、。 趙曉鵬等提出三層結(jié)構(gòu)模型： 核心采用空心玻璃微珠或高聚物顆粒以降低沉降性； 核心包裹低電阻高電導(dǎo)金屬層以提高介電性，增強(qiáng)ER效應(yīng)； 最外層包裹高介電常數(shù)的絕緣層，同時(shí)控制電導(dǎo)、耐磨性和抗擊穿性。 多層ER材料的主要缺點(diǎn)是：制備工藝復(fù)雜，顆粒結(jié)構(gòu)的均勻性不易控制，且成本較高；長期工作過程中，層與層之間會發(fā)生脫落，極大影響電流變液的耐久性。7.5影響電流變效應(yīng)的因素影響電流變液的因素有1.分散相顆粒的粒徑、體積分?jǐn)?shù)的影響 2. 顆粒介電性質(zhì) 3.3.懸浮顆粒電導(dǎo)率4.基液5.水含量與ER效應(yīng)6.電場頻率7.溫度8.電場強(qiáng)度7.6電流變液在智能控制中的應(yīng)用 利用這些電流變液優(yōu)良的機(jī)電耦合特性，可

9、望解決機(jī)械中能量傳遞和實(shí)時(shí)控制方面的問題，因而越來越受到各行各業(yè)的重視。 減振器有兩種類型：一是滑動(dòng)平板型減振器，它是靠兩滑動(dòng)板間流體的電流變效應(yīng)的阻力產(chǎn)生剪切力來控制活塞的振動(dòng)；二是固定電極型減振器，它實(shí)際上用的是一個(gè)電流變閥的結(jié)構(gòu)，這個(gè)閥的電流變效應(yīng)的阻力阻止了流體在同心圓筒間的流動(dòng)，從而導(dǎo)致減振器的阻力增大。7.6.1 電流變減振器7.6.2轉(zhuǎn)子振動(dòng)主動(dòng)控制電流變元件 轉(zhuǎn)子振動(dòng)主動(dòng)控制有盤式電流變阻尼器、電流變控制的質(zhì)量系統(tǒng)和盤式電流變吸振器三種。轉(zhuǎn)子振動(dòng)主動(dòng)控制電流變器件（a）盤式電流變阻尼器 (b)電流變控制的質(zhì)量系統(tǒng) (c)電流變液體動(dòng)力吸振器 7.6.3電流變液離合器 目前常見的

10、離合器有同軸圓筒型和平行極板型兩種，電流變液置于作為電極的兩圓柱或兩圓片之間，前者性能比較好。施加電場后電極之間的電流變液固化，離合器處于“合”狀態(tài)；撤去電場，離合器處于“離”狀態(tài)。7.6.4電流變液閥 用電流變技術(shù)設(shè)計(jì)制造的各種控制流量和壓力的閥。 特點(diǎn)是：不需要具有相對運(yùn)動(dòng)的零件，不需要精密的機(jī)械加工，流量和壓力可 以直接用信號控制。 用三根通有電流變液體的皮管合在一起作用三根通有電流變液體的皮管合在一起作“手指手指”，三根皮管內(nèi)的電流變液以相同的流速，流量流動(dòng)，這三根，三根皮管內(nèi)的電流變液以相同的流速，流量流動(dòng)，這三根皮管分別與三個(gè)電流變閥相連。調(diào)節(jié)三個(gè)電流變閥上的電壓，可以控制三根皮管

11、內(nèi)流變液體的流量，以使整個(gè)皮管分別與三個(gè)電流變閥相連。調(diào)節(jié)三個(gè)電流變閥上的電壓，可以控制三根皮管內(nèi)流變液體的流量，以使整個(gè)“手手指指”由于皮管內(nèi)的流體壓力變化而向一定的方向由于皮管內(nèi)的流體壓力變化而向一定的方向“伸曲伸曲”。 目前這種閥正被設(shè)計(jì)用于機(jī)器人手臂和飛行控制面的伺服機(jī)構(gòu)。也可用于汽車、航天器、飛機(jī)、船艦、潛艇、核反應(yīng)控制系統(tǒng)等。7.7磁流變液 磁流變液是由高磁導(dǎo)率、低磁滯性的微小軟磁性顆粒和非導(dǎo)磁性液體混合而磁流變液是由高磁導(dǎo)率、低磁滯性的微小軟磁性顆粒和非導(dǎo)磁性液體混合而成的懸浮體。這種懸浮體在零磁場條件下呈現(xiàn)出低粘度的牛頓流體特性；而在強(qiáng)磁成的懸浮體。這種懸浮體在零磁場條件下呈現(xiàn)

12、出低粘度的牛頓流體特性；而在強(qiáng)磁場作用下，則呈現(xiàn)出高粘度、低流動(dòng)性的賓漢體特性。由于磁流變液在磁場作用下場作用下，則呈現(xiàn)出高粘度、低流動(dòng)性的賓漢體特性。由于磁流變液在磁場作用下的流變是瞬間的、可逆的、而且其流變后的剪切屈服強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度具有穩(wěn)定的對的流變是瞬間的、可逆的、而且其流變后的剪切屈服強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度具有穩(wěn)定的對應(yīng)關(guān)系，因此是一種用途廣泛、性能優(yōu)良的智能材料。應(yīng)關(guān)系，因此是一種用途廣泛、性能優(yōu)良的智能材料。 目前，磁流變液已經(jīng)開始應(yīng)用于研磨（拋光）工藝、閥門和密封、家庭健身目前，磁流變液已經(jīng)開始應(yīng)用于研磨（拋光）工藝、閥門和密封、家庭健身器、機(jī)械手的抓持機(jī)構(gòu)、裝配車間不規(guī)則形體的依托架、以及自動(dòng)化儀表、機(jī)器人器、