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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。
电流变液在工程控制中的应用
随着科技的发展，在工程控制中，电流变液变得越来越重要。
电
流变液具有精确性、操纵灵活性和可靠性的优点，可以用于解决复杂
的控制问题，这些特点使得它成为一种理想的控制技术。
电流变液是一种不断变化的电流传感器，它可以将机械的状态、
位置或运动信号转换成电信号，进而控制机械装置的行为。
电流变液
系统的优点在于能够准确和稳定地测量、传输和控制各种工程控制应
用中的机械参数，如温度、压力、流量和位置。
此外，通过电流变液可以改善系统的可靠性和故障检测，并有效
地控制机械设备的运行状态。
但是，由于电流变液系统的复杂性，设
计者必须考虑许多细节，如传感器的精度、电路的耦合和电源的热源，以及系统的温度、压力和湿度。
电流变液系统目前普遍应用于工业控制技术，如航空航天控制、
电力控制、制冷、蒸汽机械和船舶控制等领域。
电流变液系统可以实
现极具效率的自动控制，大大提高了系统的灵活性、可靠性和精度，
降低了购买和使用成本，有效地提高了工程控制技术的效率和可靠性。
综上所述，电流变液在工程控制中的运用发挥着重要的作用，它
既可以实现精确的控制，又可以提高控制系统的灵活性、可靠性和精度，改善工程控制技术的可靠性。
另外，由于电流变液系统设计复杂，如果要获得更好的性能效果，设计者必须结合实际情况深入考虑相关
因素，以实现最佳控制效果。
电流变液在流体控制中的应用(英文)
魏克湘;孟光;朱石沙
【期刊名称】《功能材料与器件学报》
【年(卷),期】2005(11)1
【摘要】电流变液作为工作介质应用于流体控制系统,可用于没有机械运动部件的流体控制阀,阀的流量和压降可直接由电场信号来调节。
介绍了电流变阀的设计准则,设计制作了4件电流变阀组成一流体控制元件用于流体动力控制,并对不同电场强度下的流量、压力特性等进行了理论和实验分析。
【总页数】6页(P97-102)
【关键词】电流变液;流体控制元件;设计准则
【作者】魏克湘;孟光;朱石沙
【作者单位】上海交通大学振动,冲击,噪声国家重点实验室;湘潭大学机械工程学院【正文语种】中文
【中图分类】TH137.522;TB39
【相关文献】
1.电流变流体的性能及其在振动控制中的应用 [J], 陆蓓
2.磁流变液及其在流体传动中的工程应用 [J], 田玲;张琳;王传杰
3.电流变流体在控制流动场中的电流变响应 [J], 朱石沙;魏宸官;王启新;张吴星
4.日益引人注目的磁流变液──许多实际应用中，在强度和稳定性方面磁流变液忧于电流变液 [J], 夏毅敏;何清华;王秋风
5.交流技术增进了解推动电液伺服控制技术发展——2006电液伺服控制技术及应用研讨会成功举行 [J],
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第3期(总第154期)2009年6月机械工程与自动化M ECHA N ICAL EN GI NEER IN G & AU T O M A T IO N N o.3Jun.文章编号:1672-6413(2009)03-0170-02电流变液在工程控制中的应用李丹丹(池州学院机电工程系,安徽 池州 247000)摘要:阐述了电流变效应和电流变液的作用机理及其3种工作模型状态,并介绍了电流变液在汽车工程、机电工程、液压装置、机器人中的应用。
关键词:电流变液;工程控制;应用中图分类号:T B 381 文献标识码:B收稿日期:2008-11-25;修回日期:2008-12-30作者简介:李丹丹(1982-),女,湖北钟祥人,助教,在读硕士研究生。
0 引言电流变液(Electr orheo logical Fluid,ERF)是近年来发展较快的一种智能型材料,在物理形态上主要以流体形式存在。
常规的电流变液主要由3部分组成:低介电常数的绝缘液(连续相)、具有较高的相对介电常数和较强极化能力的固体粒子(分散相)、起粒子表面活化和增加粒子悬浮稳定性的添加剂。
由于电流变液具有响应速度快、功耗小等诸多优点,在结构减振设计和工程控制方面具有很大的优势。
1 电流变效应及ERF 作用机理1.1 电流变效应在一定强度的外加电场作用下,电流变液会形成一束由固体电介质粒子组成的纤维状的“链”,横架于正负两极之间,即在外加电场作用下,电流变液由低粘度的液体状态变为粘胶状态直至固体状态,表现为宾汉流体特性;而当把外加电场撤除时,电流变液又迅速恢复成液态,表现为牛顿流体特性,这种特性称为电流变效应。
它具有以下几个重要特点[1]:(1)在电场作用下,电流变液体的表观粘度可随场强的增大而增大(或变稠),甚至在某一种电场强度下,达到停止或固化;电场消除后,电流变液体又可恢复到原始的粘度。
(2)可控性:在电场作用下,电流变液的表观粘度的变化以及液固间属性的转换是可控的,这种控制可以是人为的或自动的。
电流变液智能材料电流变液在机械领域的应⽤摘要：电流变液是⼀种新型智能材料，在机械领域有⼴阔的应⽤前景。
本⽂⾸先介绍了新型智能材料电流变液的结构和原理，其次介绍电流变液在机械领域的运⽤。
关键词：智能材料；电流变液；应⽤1 引⾔智能材料⽬前还没有统⼀的定义。
不过，现有的智能材料的多种定义仍然是⼤同⼩异。
⼤体来说，智能材料就是指具有感知环境(包括内环境和外环境)刺激，对之进⾏分析、处理、判断，并采取⼀定的措施进⾏适度响应的智能特征的材料。
具体来说，智能材料需具备以下内涵：(1)具有感知功能，能够检测并且可以识别外界(或者内部)的刺激强度，如电，光，热，应⼒，应变，化学，核辐射等；(2)具有驱动功能，能够响应外界变化；(3)能够按照设定的⽅式选择和控制响应；(4)反应⽐较灵敏,及时和恰当；(5)当外部刺激消除后,能够迅速恢复到原始状态。
智能材料⼜可以称为敏感材料，其英⽂翻译也有若⼲种，常⽤的有Intelligent material，Intelligent material andstructure，Smart material，Smart material and structure，Adaptive material and structure等.。
电流变液(electro—rheological fluid，⼜称ER流体)是⼀种新型的智能流体。
通常它是指⼀种含两相或两相以上的悬浮体，在外加电场作⽤下，能在极短的时间内(毫秒级)，其流变性能发⽣显著的变化，如表观粘度和弹性模量剧增⼏个数量级，由液体向固体转变，⽽且这种转变是可逆的，当电场除去后，固体⼜很快变回液体。
1949年美国的Winslow最早报道了电流变效应。
他给这种液体命名为电流变液体。
在描述电流变效应时，通常认为电流变液从零电场下的⽜顿流体变成在外加电场作⽤下的宾汉流体。
⽆外加电场时，液体的切应⼒τ等于剪切速率γ，和液体粘度η0之积，为⽜顿流体，外加强电场之后，电流变液产⽣⼀个电场强度E导致的屈服应⼒τ（E)，为宾汉流体，如下公式所⽰τ=τ（E)+η0γ由于电流变液的流变性能可由外加电场控制，⽽且响应速度很快，可⼴泛⽤于机械传动、减振隔振、液压阀、机器⼈和智能执⾏机构等机械领域。
第3期(总第154期)
2009年6月机械工程与自动化
M ECHA N ICAL EN GI NEER IN G & AU T O M A T IO N N o.3Jun.
文章编号:1672-6413(2009)03-0170-02
电流变液在工程控制中的应用
李丹丹
(池州学院机电工程系,安徽 池州 247000)
摘要:阐述了电流变效应和电流变液的作用机理及其3种工作模型状态,并介绍了电流变液在汽车工程、机电工程、液压装置、机器人中的应用。
关键词:电流变液;工程控制;应用中图分类号:T B 381 文献标识码:B
收稿日期:2008-11-25;修回日期:2008-12-30
作者简介:李丹丹(1982-),女,湖北钟祥人,助教,在读硕士研究生。
0 引言
电流变液(Electr orheo logical Fluid,ERF)是近年来发展较快的一种智能型材料,在物理形态上主要以流体形式存在。
常规的电流变液主要由3部分组成:低介电常数的绝缘液(连续相)、具有较高的相对介电常数和较强极化能力的固体粒子(分散相)、起粒子表面活化和增加粒子悬浮稳定性的添加剂。
由于电流变液具有响应速度快、功耗小等诸多优点,在结构减振设计和工程控制方面具有很大的优势。
1 电流变效应及ERF 作用机理1.1 电流变效应
在一定强度的外加电场作用下,电流变液会形成一束由固体电介质粒子组成的纤维状的“链”,横架于正负两极之间,即在外加电场作用下,电流变液由低粘度的液体状态变为粘胶状态直至固体状态,表现为宾汉流体特性;而当把外加电场撤除时,电流变液又迅速恢复成液态,表现为牛顿流体特性,这种特性称为电流变效应。
它具有以下几个重要特点[1]:(1)在电场作用下,电流变液体的表观粘度可随场强的增大而增大(或变稠),甚至在某一种电场强度下,达到停止或固化;电场消除后,电流变液体又可恢复到原始的粘度。
(2)可控性:在电场作用下,电流变液的表观粘度的变化以及液固间属性的转换是可控的,这种控制可以是人为的或自动的。
(3)可逆性:在电场作用下,电流变液体的属性由液态至固态的转换是可逆的。
(4)频响时间短:单相电流变液正、逆向变化一
次性态所需时间在10-3
s 以下。
(5)能耗小:一般只需几瓦到几十瓦功率的直流电源就能满足工程应用的需要。
1.2 电流变液的作用机理
目前对于电流变液的作用机理主要有以下几种理论:
(1)静电极化模型[2]:在高电压的作用下电流变液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(接地电极)移动,负电荷向靠近正电极的一端(高电压输入端)移动,结果粒子两端富含正、负电荷,由于静电吸引相互连接,形成链状结构进而粗化形成粒子柱。
电流变液极化示意图见图1。
图1 电流变液极化示意图
(2)“水桥”模型[3,4]
:在电场的作用下,粒子极化后自由粒子迁移,水由于电渗透作用随自由离子到达粒子两端,相邻粒子表面的水分子通过毛细管作用在粒子间形成“水桥”,促使水分子紧密联系在一起,宏观上呈凝胶态。
(3)逾渗理论:逾渗理论认为电流变固体粒子之间的相互吸引作用及作用范围对电流变行为有很大的
影响。
如果作用范围很小,则计算出的电流变体的体积分率高达64%;当作用范围为粒子尺寸的3/8时临界体积分率仅为32%,表面作用能越大,临界体积分率还可以进一步降低。
2 电流变液在工程控制中的应用
根据电流变液的流变性质,其在汽车、机电、液压技术和机器人等工业中有着广泛的潜在用途。
根据电流变液在电场下的粘度变化,主要有如下3种工作
模型状态(见图2)[5]
:
(1)剪切模型:两平行极板相对运动产生剪切阻力(提供动量转化)。
(2)流动模型:两极板固定不动,电流变液体在极板间运动(调节ER 的压力梯度)。
(3)压缩模型:两极板相背或相向运动,极板间
距离减小或增加。
图2 电流变液的3种工作模型
2.1 在汽车工程中的应用
电流变液在汽车工程上主要用于汽车制动器和离合器,工作模型状态为剪切模型。
这类装置的工作原理是:把电流变液放在有相对运动的汽车部件之间,通过控制电压,改变电流变液的粘度,从而控制汽车部件传递的力和力矩的大小。
2.2 在机电工程方面的应用
电流变液在机电工程方面主要用于机床上的减振器等。
这类装置的工作原理是:在车刀切削过程中,在电流变液的两极板间施加一定电场后,其中的电流变液的特性会发生一系列的变化,通过改变切削系统阻尼和刚度的办法来限制和控制颤振的幅度和频率,从而起到抑制颤振的目的。
2.3 在液压装置中的应用
电流变液在液压装置中主要用于电流变液体阀,
它的基本原理是:利用电流变液体阀中的电流变液体,其表观粘度可在电场的控制下在一定的条件和范围内实现无级调节,在恒流量时可实现进、出口间压力差的无级调节;在定压差时可实现流量的无级调节。
2.4 在机器人技术中的应用
电流变液在机器人方面的应用目前处于起步阶段。
电流变液装置可用于吸收当机器人手臂由高速运动突然转向低速运动所引起的振动,还可以用于做桥路的四单元或二单元的电流变液阀门网路系统以控制机器人伺服机构。
据了解,目前日本已把电流变液用于机器人的人工肌肉及机器人手臂的控制机构中。
3 结束语
电流变液是一种新型智能材料,在工程控制中具有广阔的应用前景,如在减振器、离合器、液压阀、机器人手臂、电源开关、阻尼器等诸多方面都有广泛的应用。
但其同时受制于许多因素,存在的问题主要有电流变液在非电场下粘度过高,而在电场下屈服强度不够,不能够传输足够的力矩,电流变液的稳定性不是很理想等。
虽已有许多文献描述电流变液的力学特性或建立唯象模型,然而到目前为止仍未有成熟的商业化产品,其最大的原因就在于人们仍未能全面地了解电流变液的物理机制,因此仍未能找到高性能的电流变液的设计准则。
总之,要使电流变技术广泛应用于工程实际中还有待研究的进一步深入。
参考文献:
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[5] 张华良.电流变流体ER F 半主动动作器研究[J].机械设
计与研究,2000(12):21-22.
Application of ERF in Engineering Control
LI Dan -dan
(Electronic-mechanic Department,S chool of Ch izhou,Ch izhou 247000,China)
Abstracts :T his pa per int ro duces the electr or heolog ical effect ,mechanisms and three kinds o f w or k models,and its applicat ion in automo tiv e engineer ing ,mechanical and electr onic engineering ,hy dr aulic devices and ro bo tics.Key words :ERF ;engineer ing co ntro l ;application
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171・ 2009年第3期 李丹丹:电流变液在工程控制中的应用。
