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神奇材料——电流变液材料是人类文明进步的重要标志之一，每一次材料的进步都会带来人类生活水平的一次质的飞跃，进入20世纪之后，各种新材料的产生更是日新月异，如常被人提起的超导材料、半导体材料、新陶瓷材料、纳米材料等，本文拟介绍一种不为大家所熟知的神奇材料——电流变液。
一、电流变液材料的发现1947年，有一个叫温塞格的美国学者，讲石膏、石灰和石墨混合后加在橄榄油中，然后又加入水搅拌成一种悬浮液，他想试验一下这种悬浮液能够导电，结果在实验中却发现了这一奇特现象。
当他对悬浮液加上电压后，发现液体马上变成了固体，当取消电压固体又会很快变成液体，后来他又测出这种物态变化的时间仅有几毫秒，并且固体的强度会随着所加电压的增大而增加，可以用电压的有无和大小来控制物态变化和固态强度，温塞格的发现引起了许多科学家的兴趣，科学家把能产生这种变化的材料命名为电流变液，这种现象命名为温塞格现象。
二、电流变液的应用1、电流变液刹车系统传统的车辆在高速行驶时，一旦遇到紧急情况，司机从踩下刹车到车停下来往往需要几秒时间，而车毁人亡的人间悲剧往往就是在这几秒内发生，这主要是因为传统车辆上的刹车多是采用一种被称为圆环“抱死”系统的装置，他们都是靠压力使车轮停转，但由于压力增大需要一个过程，致使车辆不可能快速停下来。
而用电流变液做成的刹车系统，只需要千分之几秒就可达到使车轮停转的目的。
研究者在车轮的传统装置中充入电流变液，平时由于其粘度较小，对车轮转动无太大影响，当遇到紧急情况时，驾驶员只要象掀喇叭一样，按下一个相应电路控制开关，给电流变液加上一定电压，在几毫秒后，电流变液就要变成固体将使车轮传动装置与车轮固化为一个整体，按此原理还可以用电流变液锁定发动机、变速箱等，另外，还可将这种材料做成汽车防盗装置，使盗车者，即使进入车内，也只能无功而返。
2、电流变液飞机机翼研究者将直升机的水平旋翼叶片迈入压电材料（是一种能将外加力转化为相应电压的材料），并将叶片作成中空式的，在其中充入电流变液，这种充入电流变液的中空叶片，会大大降低机翼产生的噪声和振动。
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 300300liyan01898@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（τS）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。
实验表明[1]，在较低电场强度下，τS∝E2；反之，τS∝E。
添加剂是影响τS的一个重要因素。
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（τl），对于同一体积比的电流变液，动屈服应力较静态屈服应力约小25%左右[ 3]。
τl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于低电场强度[4]。
茅海荣等[5]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。
电流变液的拉伸可分为三个阶段[6]：第一阶段，拉伸应力随应变的微小变化呈线形急剧增加，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。
神奇材料——电流变液材料是人类文明进步的重要标志之一，每一次材料的进步都会带来人类生活水平的一次质的飞跃，进入20世纪之后，各种新材料的产生更是日新月异，如常被人提起的超导材料、半导体材料、新陶瓷材料、纳米材料等，本文拟介绍一种不为大家所熟知的神奇材料——电流变液。
一、电流变液材料的发现1947年，有一个叫温塞格的美国学者，讲石膏、石灰和石墨混合后加在橄榄油中，然后又加入水搅拌成一种悬浮液，他想试验一下这种悬浮液能够导电，结果在实验中却发现了这一奇特现象。
当他对悬浮液加上电压后，发现液体马上变成了固体，当取消电压固体又会很快变成液体，后来他又测出这种物态变化的时间仅有几毫秒，并且固体的强度会随着所加电压的增大而增加，可以用电压的有无和大小来控制物态变化和固态强度，温塞格的发现引起了许多科学家的兴趣，科学家把能产生这种变化的材料命名为电流变液，这种现象命名为温塞格现象。
二、电流变液的应用1、电流变液刹车系统传统的车辆在高速行驶时，一旦遇到紧急情况，司机从踩下刹车到车停下来往往需要几秒时间，而车毁人亡的人间悲剧往往就是在这几秒内发生，这主要是因为传统车辆上的刹车多是采用一种被称为圆环“抱死”系统的装置，他们都是靠压力使车轮停转，但由于压力增大需要一个过程，致使车辆不可能快速停下来。
而用电流变液做成的刹车系统，只需要千分之几秒就可达到使车轮停转的目的。
研究者在车轮的传统装置中充入电流变液，平时由于其粘度较小，对车轮转动无太大影响，当遇到紧急情况时，驾驶员只要象掀喇叭一样，按下一个相应电路控制开关，给电流变液加上一定电压，在几毫秒后，电流变液就要变成固体将使车轮传动装置与车轮固化为一个整体，按此原理还可以用电流变液锁定发动机、变速箱等，另外，还可将这种材料做成汽车防盗装置，使盗车者，即使进入车内，也只能无功而返。
2、电流变液飞机机翼研究者将直升机的水平旋翼叶片迈入压电材料（是一种能将外加力转化为相应电压的材料），并将叶片作成中空式的，在其中充入电流变液，这种充入电流变液的中空叶片，会大大降低机翼产生的噪声和振动。
电流变液1极性液体/高岭土插层复合颗粒电流变液材料本发明涉及一种极性液体/高岭土插层复合颗粒电流变液材料，特别涉及二甲基亚砜/高岭土插层复合颗粒电流变液材料。
与传统的包覆式或共聚型有机/无机复合颗粒不同，本电流变液的分散相是二甲亚砜和高岭土两种组份在分子尺度上的均一相材料，它兼有无机化合物制备简便、成本低廉及有机物抗沉降性好、力学值高的特点，强电场下的力学值较高，另外抗沉降性比纯高岭土电流变液有所改善。
本发明的材料制备工艺十分简单，成本低廉，反应过程易于控制。
2聚苯胺极性固体颗粒/极性液体双分散电流变液及制备方法本发明涉及一种聚苯胺极性固体颗粒/极性液体双分散电流变液，它以半导体高分子聚苯胺/极性液体/硅油体系为主要原料。
本发明还涉及它的制备方法，它以低温氧化还原聚合的聚苯胺，经碱溶液去掺杂所制备的半导体聚苯胺为固体分散介质，以极性液体为液体分散介质，将分散介质分散于硅油中，经充分混合均匀所制成的极性固体颗粒/极性液滴双分散电流变液。
与现有技术相比，本发明具有电流变液的电致剪切应力较大、沉降稳定性好、工作温度范围宽、制备简单，成本低等优点。
3含有丙三醇/阳离子表面活性剂的氧化钛电流变液一种含有丙三醇和阳离子表面活性剂的氧化钛电流变液，4掺杂的钛酸锶电流变液及其制备方法本发明涉及一种电介质材料的制造技术，特别是涉及利用胶体化学方法来制备掺杂的钛酸锶电流变液技术。
本发明的目的为了提供一种结构稳定，不易沉降，机械性能好的掺杂钛酸锶电流变液。
本发明用ＳｒＣl2、TiCl4和MCl3乙二酸盐（或草酸）、柠檬酸、乙二酸醇脂作原料，按Ｓr1-x M x TiO3配制成陈化液，经陈化、离心、洗涤、烧结制成掺杂钛酸锶球形颗粒，再将它与２００＃硅油按不同体积分比混和，搅拌均匀制成掺杂钛酸锶电流变液。
5云母系列电流变液本发明涉及一种云母系列电流变液，该电流变液由云母、绝缘油和添加剂按一定比例混均而成。
其中的云母为白云母、黑云母、金云母等，绝缘油为硅油、变压器油等，添加剂为液晶材料或超细粉材料。
专利名称：一种电流变液及其制备方法
专利类型：发明专利
发明人：陈克正,王宝祥,刘辰洁,尹贻超,于寿山,宋现芬,田晓莉,刘鹏波,梁兵
申请号：CN201310128285.2
申请日：20130412
公开号：CN103224831A
公开日：
20130731
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种电流变液材料及其制备方法，该电流变液的分散相是由花状乙二醇基铁或花状氧化铁纳米粒子与生长于其上的聚苯胺纳米颗粒复合而成的包覆型磁性纳米复合颗粒，连续相为二甲基硅油；其制备工艺是先采用高温回流法制备出花状乙二醇基铁前驱体，该乙二醇基铁前驱体既可以直接原位生长出聚苯胺，制备出花状乙二醇基铁/聚苯胺纳米复合材料；又可以经过煅烧转化为氧化铁，再以此为基底，原位生长出聚苯胺纳米颗粒，制备出月季花状氧化铁/聚苯胺纳米复合材料。
制备工艺简单，原料易得，组分与性能易于控制，复合颗粒中的乙二醇基铁或氧化铁纳米颗粒具有花状结构，在与聚苯胺结合后改善了材料的性能，从而使该材料的综合性能，尤其是电流变和磁性能得到优化。
申请人：青岛科技大学
地址：266061 山东省青岛市松岭路99号
国籍：CN
代理机构：青岛发思特专利商标代理有限公司
代理人：王志义
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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 300300liyan01898@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（τS）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。
实验表明[1]，在较低电场强度下，τS∝E2；反之，τS∝E。
添加剂是影响τS的一个重要因素。
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（τl），对于同一体积比的电流变液，动屈服应力较静态屈服应力约小25%左右[ 3]。
τl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于低电场强度[4]。
茅海荣等[5]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。
电流变液的拉伸可分为三个阶段[6]：第一阶段，拉伸应力随应变的微小变化呈线形急剧增加，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V F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仪器。
1.2 电流变效应的机理提高电流变液性能是电流变液研究的核心问题，而电流变机理研究对人们理解电流变效应以及提高电流变液性能、改善电流变液体系具有重要的指导作用。
对于电流变机理，普遍认同的事实是由于电场作用，液体的分散颗粒间的相互作用使得液体的宏观性质发生变化。
据此建立起的多种模型是侧重在电场下电流变液中的介电颗粒的相互作用上的。
1.2.1双电层理论（Double Layer Theory）对于固液两相体系组成的电流变液，固体粒子与液体接触时，固体表面的带电现象和体系的热运动对固体粒子表面附近的液体介质中的正负离子产生相反趋势的综合作用，使得过剩的异号离子以扩散形式分散在带电粒子表面的液体介质中，形成双电层。
Klass和Martinek 认为电流变体的响应时间极短,不足以使微粒排列成纤维状结构，提出了双电层理论模型，也称界面极化理论。
该理论认为在无电场作用时,分散相粒子由于电离或离子吸附等原因使其表面带有电荷，这些电荷与周围介质中的异号电荷在静电作用下相互吸引，构成双电层。
在电场作用下，带电粒子向某一电极运动，而其吸附的异号电荷则向相反的方向运动。
双电层发生变形，产生非对称分布，导致非平衡电荷的分布，使电流变液在受到垂直于电场方向的剪切时要消耗更多的能量，从而产生ER效应。
这一理论的主要缺点是没有说明为什么双层的相互作用和交叠导致电流变体流变性质几个数量级的突变。
1.2.2“水桥”理论（Water Bridge Theory）早期的电流变体的分散相中都含有水, 水是引发电流变效应不可缺少的条件，水的含量对于电流变效应有着显著的影响。
Stangroom等人提出了“水桥”理论模型。
在由疏水的基础液和亲水且多孔的颗粒组成的电流变液中，固体颗粒的孔道中含有可移动的离子，并吸附、蓄留有一定量的水。
离子通过水的溶解，变得更易发生运动。
在电场作用下，离子带动水向电极上带相反电荷的方向运动，这样，水聚集在离子端部，并与附近粒子相连，可见水在离子与粒子间的连接中起了"桥"的作用，使固体粒子连接成链，电流变液宏观上呈凝胶态；换言之，“水桥”的表面力作用导致了电流变效应。
撤去电场后，水分子同离子重新进入粒子孔道内，“水桥”消失，悬浮液恢复流动性。
Stangroom用该机理定性地解释了水的含量、固体微粒的多孔性和电子结构等对电流变效应的影响。
但该理论对于后来发展起来的疏水性粒子的电流变体系ER效应的解释则存在一定困难。
1.2.3粒子极化理论（Particle Polarization Theory）这种理论认为产生电流变效应的主要原因是电流中固体颗粒的极化。
主要内容为：在高电压作用下,电流变体中的粒子由于极化发生电荷分离,正电荷向靠近负电极的一端移动,负- 2 -电荷向靠近正电极的一端移动,结果粒子两端富含正、负电荷,相邻粒子由于静电吸引相互连接即形成链状结构,进而粗化形成粒子柱。
根据极化产生的机理不同,极化又包括电子位移极化、离子位移极化、偶极子转向极化、游离极化、界面极化等。
虽然这几种极化在极化速度和强度上有差异，但从宏观上看很难将它们区分开来，所以通常采用综合的方法进行分析。
由于是建立在极化作用之上,静电极化模型首先强调的是粒子与连续相介质之间存在介电不平衡,而水对电流变效应的产生不是必需的。
极化大小除与介电不匹配性有关外,还与场强、粒子间距离等其它参数有关。
1.2.4“纤维”理论（Fibrillation Theory）该理论认为电流变过程是在电场作用下悬浮颗粒沿电场方向排列成链状。
在电场作用下，原本杂乱无章分布于基液的固体颗粒在很短时间内沿电场方向排列有序化，形成链状结构。
此为一动态平衡的状态。
在重量比较小，固体颗粒较少时，能观察到粒子在电场方向上是处于不断运动的[4]。
研究发现，链长随电场强度和悬浮颗粒浓度的增加而增大、随电场变化频率的提高而变短。
一般认为链长随频率提高而变小是由于颗粒无足够时间极化所致。
当电场强度加大或电流变液悬浮颗粒浓度增大时，链会逐渐形成柱状结构，并出现侧链，最终形成一个网状结构，电流变液的抗剪切强度增大。
该理论还认为，流体电流变效应的程度（即流体粘度变化的程度）是由链结构的强度决定的，而后者又决定于悬浮颗粒间的相互作用力（静态时主要表现为颗粒间的极化力）的大小。
但是运用此理论得出的电流变效应的大小远远小于实验值，不能很好地解释电流变现象。
2.电流变液的制备电流变液一般为两相悬浮液体,由分散相粒子和连续相介质组成。
根据分散相是否含有水又可将其分为含水型和非水型。
在电流变液的制备过程中，电流变液的分散相粒子的制备技术是决定电流变液性能的主要因素，因此，对于不同体系的电流变液的分散相粒子就有着不同的制备方法。
2.1含水型电流变液对于含水型电流变液体系中的分散相粒子的制备方法一般采用插层复合法。
以TiO2插层蒙脱土为粒子电流变液制备工艺为[8]：在较低温度下，将蒙脱土在二次去离子水中充分溶胀，然后逐滴加入TiO2溶胶，升高温度至60℃，反应约4h。
钛离子与蒙脱土硅酸盐层之间的中和层间负电荷的阳离子进行交换，TiO2像柱子一样嵌在蒙脱土结构层间，连接并撑开两邻近硅酸盐层，即为TiO2插层蒙脱土的无机/蒙脱土复合颗粒。
路军等利用乳液共混插层法制备聚苯胺/蒙脱土(PANI-MMT)纳米复合粒子[9]，将产物与甲基硅油（化学纯，εf=2.60~2.80，σ=1╳10～1╳10S/m，ρ=0.9～1.0g/cm3，η≈500mPa・s（25℃））按照30%的质量比混合，配制成电流变液，其ER效应较纯聚苯胺、蒙脱土及机械共混的聚苯胺/蒙脱土ERF有较大提高，具有较好温度稳定性和优异的抗沉淀性。
聚苯胺插入蒙脱土层间后，介电损耗有一定提高。
随着温度升高，其漏电密度增大，导致材料在60℃以上ER效应减弱。
以二甲基亚砜为前驱体，先使其插入高岭土层间形成高岭土/二甲基亚砜复合物并充分溶胀，之后进行加热并滴加CMS，反应约8h，将产物抽滤、洗涤、干燥后得淡灰色颗粒——高岭土/羧甲基淀粉剥离型纳米复合粒子[10]。
将制得的复合颗粒放入玛瑙研钵中，研磨3h，研成细小均匀的颗粒，硅油在100℃下干燥1h后，按体积比31%混合均匀，即可得高岭土/羧甲基淀粉纳米复合物为分散相颗粒的电流变液。
- 3 -2.2非水型电流变液含水型电流变液体系由于水分的存在，使得电流变液的工作温度范围较窄(只能在0℃~100℃之间)，且电流变液设备易遭腐蚀，电流变效应的稳定性差等。
因此，非水型电流变液体系的研究日益受到重视[11]。
非水型电流变液体系的工作温度范围较宽，克服了含水型电流变液体系工作温度窄的缺点，而且在体系中电流变效应的稳定性好，因而具有较远的发展前景。
非水型电流变体系中分散相粒子的制备主要有以下几种方法。
2.2.1 一般液相法非水型电流变体系中分散相粒子材料主要有硅酸铝盐粒子材料，半导体粒子材料，复合粒子材料等。
其中，复合粒子材料是近来研究的热点。
研究者通过不同方法设计出了不同结构的复合粒子，如核/壳复合型粒子，无机分子－小分子有机物复合粒子等。
以BaTiO x －小分子有机物复合电流变液的制备[8]为例，醋酸钡、钛酸正丁酯、十二胺、乙醇在40~60℃进行液相反应得到BaTiO x，所得BaTiO x再与二甲基亚砜、甲酰胺、乙二醇、正戊醇等小分子有机物进行液相反应，最终得到BaTiO x与各小分子有机物的复合颗粒，在干燥4h～8h 后，与15℃/2h处理的二甲基硅油（εf=2.60~2.80，ρ=0.9～1.0g/cm3，η≈500mPa・℃s （25℃））快速配制成颗粒/硅油重量比为37%的电流变液（未加入任何添加剂），并研磨1～2h得到电流变液。
