電流變技術(shù)及其應(yīng)用

摘 要:隨著現(xiàn)代科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展需要，傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器在驅(qū)動(dòng)精度和驅(qū)動(dòng)載荷能力方面已經(jīng)不能滿足要求。本文介紹電流變技術(shù)及其在工程中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:電流變技術(shù)電流變效應(yīng)電流變液

中圖分類號(hào):TH11文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)07(C)-0072-01

隨著現(xiàn)代科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展需要，傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器在驅(qū)動(dòng)精度和驅(qū)動(dòng)載荷能力方面已經(jīng)不能滿足要求。進(jìn)年來，利用電流變技術(shù)實(shí)現(xiàn)精密驅(qū)動(dòng)的研究已經(jīng)成為熱點(diǎn)。

1 電流液

1.1 電流變液的概念

電流變液(electrorheological fluid)是這樣一類液體的總稱:在外加電場(chǎng)的作用下，液體的粘性會(huì)隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而明顯增大;當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到某一臨界值時(shí)，它會(huì)發(fā)生相變而迅速固化，而且具有明顯的抗剪屈服應(yīng)力。該過程具有可逆性。以上在電場(chǎng)作用下，電流變液流變特性發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電流變效應(yīng)。

1.2 電流變液的組成

電流變液是一種兩項(xiàng)懸浮體系，由不導(dǎo)電的母液和均勻散布在其中的電介質(zhì)微粒組成。同時(shí)還要加入添加劑，增強(qiáng)電流變效應(yīng)，改善懸浮體的穩(wěn)定性，常用的添加劑有水、甲醇、乙醇和胺類等[1]。

電流變液是電流變技術(shù)中的核心部分，其性能優(yōu)劣直接影響電流變技術(shù)的應(yīng)用。性能優(yōu)良、壽命長(zhǎng)、比較穩(wěn)定，并且滿足工程應(yīng)用的電流變液體仍然是目前人們研究的重要課題之一。

1.3 電流變效應(yīng)的特征

1)電流變液的粘度隨著電場(chǎng)的增強(qiáng)而增大，最后固化。

2)固化過程在瞬間即可完成，所需時(shí)間通常在千分之一秒。

3)固態(tài)的電流變液可以還原為液體;

4)電流變液粘度的變化是連續(xù)的，可以是線性的，也可以是非線性的。

5)能耗低。

2 電流變技術(shù)的發(fā)展

2.1 第一階段

20世紀(jì)30年代，美國(guó)科學(xué)家Winslow最早發(fā)現(xiàn)電流變現(xiàn)象，因此這種現(xiàn)象也被稱為Winslow效應(yīng)[2]。此后，

世界許多科學(xué)家對(duì)電流變液進(jìn)行了大量的研究。60年代末，Klass和Martinek詳細(xì)研究了電流變效應(yīng)對(duì)粒子體積分?jǐn)?shù)、剪切速率、電場(chǎng)及其頻率的依賴性。

2.2 第二階段

20世紀(jì)80年代初期，英國(guó)的Stangroom等人開發(fā)出腐蝕性小、親水性的聚電解多孔微粒組成的電流變液，使電流變液越來越接近實(shí)用。

2.3 第三階段

80年代后期，無水電流變液的成功研制，克服了含水電流變液的缺點(diǎn)，大大提高了電流變技術(shù)的應(yīng)用范圍。

在我國(guó)，電流變技術(shù)的研究由北京理工大學(xué)魏宸官教授與80年代末首先倡議和開展的。之后許多高校和中科院物理所等單位開展電流變技術(shù)的研究，并且有大量的研究成果。

3 電流變技術(shù)的工程應(yīng)用

電流變技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車工程、液壓工程、航空航海、生產(chǎn)自動(dòng)化、機(jī)器人工程、醫(yī)療器械、體育用品、國(guó)防等領(lǐng)域，應(yīng)用前景非常廣闊。

1)利用電流變液體的表觀粘度在電場(chǎng)作用下的無級(jí)可控性能，可以設(shè)計(jì)和制造出適合各種工程領(lǐng)域中作振動(dòng)主控制的阻尼可調(diào)節(jié)的減振器和隔振器。

2)利用電流變液體一定范圍內(nèi)可以無級(jí)變化和控制的電致抗剪切屈服應(yīng)力，可以設(shè)計(jì)和制造轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速可以無極調(diào)節(jié)的動(dòng)力傳遞元件。如:可調(diào)速的離合器、制動(dòng)力可控的制動(dòng)器等。美國(guó)東北大學(xué)的機(jī)器人專家康斯坦丁諾斯·馬弗魯?shù)纤拱l(fā)明的由電腦控制的、用于恢復(fù)肌肉力量的阻力設(shè)備，它帶有一對(duì)內(nèi)部含有電流變液體的制動(dòng)器。

3)由于電流變液體在電場(chǎng)作用下，能產(chǎn)生高速響應(yīng)的稠化和固化效應(yīng)，利用它可以研制在液壓控制技術(shù)常見的高速響應(yīng)的開關(guān)控制器件，運(yùn)動(dòng)物體位置的精確控制及液壓傳動(dòng)中的流量和壓力控制的各種閥類。

電流變閥取代液壓控制閥實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)控制有如下優(yōu)勢(shì):1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單;2)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快;3)不存在機(jī)械摩擦，壽命長(zhǎng)。所以電流變閥是電流變技術(shù)研究的熱點(diǎn)。吉林大學(xué)設(shè)計(jì)制造了單、雙通道的電流變閥[3]，對(duì)流量和壓力差進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。臺(tái)灣大葉大學(xué)設(shè)計(jì)了利用電流變閥控制墨水噴射的打印機(jī)，通過施加到同軸電極的電壓來調(diào)節(jié)流經(jīng)電流變閥的電流變液的粘度，調(diào)節(jié)流動(dòng)阻力，使墨水的噴出量可以通過電壓來控制[4]。

4 電流變技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

雖然電流變技術(shù)有很多優(yōu)勢(shì)，但還未發(fā)展成熟，還有很多方面需進(jìn)一步發(fā)展才能在工程中得到廣泛的應(yīng)用:

1)力學(xué)性能要滿足工程應(yīng)用的需求;

2)要有較廣的溫度工作范圍，現(xiàn)階段溫度的變化電流變效應(yīng)影響很大;

3)物理性能要保持穩(wěn)定;

4)化學(xué)性能要保持穩(wěn)定;

5)電學(xué)性能要良好，有較強(qiáng)的極化能力、介電性能以及耐擊穿能力等;

6)電流密度和電能耗要求不能過高;

7)電流變液具有綠色環(huán)保的能力。

參考文獻(xiàn)

[1]陳宏，陳默軒.電流變效應(yīng)的研究及應(yīng)用前景.工科物理，1999，9(1):26-28.

[2]朱石沙，黃宜堅(jiān).電流變技術(shù)及應(yīng)用前景.現(xiàn)代機(jī)械，1994，(3):32-34.

[3]曲興田，劉建芳，等.平板狀單通道電流變閥的研究.液壓與氣動(dòng)，2010，(1):7-9.

[4]CH Y Lee，CH Y Tseng.The dropletejection of an inkjet mechanism controlled by electrorheological fluid [J]. Materials and Design.2002，23(8):727-739.