电流变液

悬浮液

电流变液在通常条件下是一种悬浮液，它在电场的作用下可发生液体—固体的转变。当外加电场强度大大低于某个临界值时，电流变液呈液态；当电场强度大大高于这个临界值时，它就变成固态；在电场强度的临界值附近，这种悬浮液的粘滞性随电场强度的增加而变大，这时很难说它是呈液态还是呈固态。

历史之久

电流变液(Electrorheological Fluids) 简称ER液体或ER流体，发展历史已经有70多年了（最初由Winslow于1949年发现）。电流变液称为智能材料，是由于它具有受控变化的品质，其屈服应力、弹性模量能够按照控制者的意志产生变化。早期的ER性能较差，上世纪八十年代末ER材料的研究得到突破，使它有可能逐渐获得广泛的应用。

ER液体通常由具有高介电常数的固体微粒均匀分散在低介电常数的绝缘油中组成，固体微粒材料的性质决定ER性能的好坏，是ER的关键组份。

固体微粒材料可以采用多种材料制成，常用的有无机材料（如硅胶、硅铝酸盐、复合金属氧化物、复合金属氢氧化物）、高分子材料（如高分子半导体粒子）和复合型ER材料（可以是不同的无机材料的复合、不同的高分子材料的复合、无机材料和高分子材料的复合）。评价微粒材料的主要性能指标是能够提供的动态剪切应力的大小，动态剪应力大强度就高。此外，临界电场（产生ER效应的最小电场强度）要小，导电率要小。绝缘液体通常有硅油、食油、矿物油，绝缘液体应具有较高的沸点，稳定性、抗腐蚀性好。

举例说明

电流变液用于汽车变速的原理可以通过一个简化的例子说明。设动力首先从下面的轴输入（黑色箭头），黑色的轴与蓝色的齿轮之间是电流变液（绿色），如果右边施加外电场，左边仍保持液态，则动力由齿轮1传到齿轮2，带动输出轴（红色）转动，由于齿轮1的半径大于齿轮2，所以输出轴转得较快。如果左边施加外电场，右边保持液态，则动力从齿轮3传到齿轮4，输出轴的转速较慢。

研究成果

电流变液是一种由介电微粒与绝缘液体混合而成的复杂流体。在没有外电场时，它的外观很像机器用的润滑油，一般由基础液、固体粒子和添加剂组成。基础液可采用煤油、矿物油、植物油、硅油等经理化处理的物体构成，要具有绝缘性能好，耐高压，低粘度，在无电场作用下具有良好流动性这些性质；固体粒子是一种由纳米至微米尺度大小的具有高的、相对的介电常数和较强极性的微细物体组成。添加剂常用水、酸、碱、盐类物体和表面活性剂组成，其作用是增强悬浮液的稳定性和电流变效应。

电流变液

在外电场作用下，电流变液中的固体颗粒获得电场的感应作用，从而由液态进入固态。电流变液组份获得不断改进，性能良好的电流变液在电场的作用下能产生明显的电流变效应，即可在液态和类固态间进行快速可逆的转化，并保持粘度连续。这种转变极为迅速，瞬时可控，能耗极小，因而可与电脑结合，实现实时控制。电流变技术在机械工程、汽车工程、控制工程领域的应用范围非常广泛。

实验演示

电流变液属于复杂液体，一般由分散相、分散剂和添加剂组成，其粘度的电场可控制性构成了电流变液应用的主要方面。电流变液的本质就是电场导致的固体颗粒的极化。在外电场作用下，电流变液中的固体颗粒获得感应极矩ρ=βα3εrE10c,首先在两极板间排成链，随电场进一步增强，链之间相互作用而聚集成柱，从而由液相进入固相。本实验用立体光学显微镜进行放大成像，并接CCD，再连接计算机，可在线观察，并进行更深入的研究。实验装置包括：立体显微镜、CCD摄像头、高压电源、电流变液样品及样品盒、电视或带图像卡的计算机。

应用

电流变液技术在汽车上最直接的应用是利用它在电场下粘度连续变化的特性制造汽车离合器装置，例如汽车自动变速器的离合器，就可以用电流变液取代传统的齿轮离合装置。传统的汽车自动变速器机械结构复杂，具有体积大，耗能高的缺点。如果改用电流变液制作的离合器来代替传统的齿轮离合装置，不仅体积可以大幅缩小，而且控制简单，只需控制电压就可达到调速的目的，届时只需在方向盘上设置几个调速按键就可解决换档。

电流变液作用下的离合装置原理是这样的：主动轴和从动轴之间充有电流变液。当外加电场为零时，主动轴不会带动从动轴转动；当电压逐渐增加时，电流变液的粘度会随之增加。当其粘度达到一定临界值时，主动轴带动从动轴转动。

由此可见，根据电流变技术的原理，构成液—机耦合的机制，可以设计出全新的汽车结构。根据这一原理，同样可以设计出新颖的汽车转向系统、汽车的减震装置、制动装置等。与传统的机械产品相比，具有设计简化、应用简便、灵敏度高、噪声小、寿命长、成本低、易于实现电脑控制的特点。电流变技术在汽车传动系统的重大创新将引发一场汽车技术革命。

我们知道，驱动汽车需要的扭距是很大的，这是汽车有别于其它用品的重要特征。扭距的传递要靠剪切应力。所以，制约电流变液在汽车驱动系统中应用的主要因素是所允许的最大剪切应力。大多数电流变液的动态剪切应力在15kPa以下，需要进一步提高。用电流变液原理取代传统的机械离合器的关键是剪切强度方面的突破。

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