電流變液光學(xué)性能的研究

余南輝　范吉軍　張永林　王旺平　曹梅麗

【摘 要】本文研究了由淀粉和硅油組成的電流變液的光學(xué)特性，在不同外加電場(chǎng)作用下針對(duì)不同濃度的淀粉電流變液進(jìn)行了透光率的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，透光率隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加先增大后減小。電流變液濃度高時(shí)達(dá)到最大透射光強(qiáng)所需的電場(chǎng)強(qiáng)度小，而濃度低時(shí)達(dá)到最大透射光強(qiáng)所需的電場(chǎng)強(qiáng)度大。

【關(guān)鍵詞】電流變液；光電流；透射率

0 引言

電流變液（Electrorheological Fluids），在通常條件下是一種由介電微粒與絕緣液體構(gòu)成的懸浮液，在外電場(chǎng)作用下，電流變液能在瞬間發(fā)生相變，由液態(tài)變成一種粘度較大的類固態(tài)物質(zhì)；撤去電場(chǎng)后，體系又迅速恢復(fù)到原來的液態(tài)，其響應(yīng)時(shí)間為毫秒量級(jí)。這種變化不僅迅速、可逆，而且連續(xù)、可調(diào)。在電場(chǎng)作用下，顆粒沿電場(chǎng)方向排列成鏈柱狀結(jié)構(gòu)是電流變宏觀行為的微觀起源。這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變不僅影響力學(xué)性能，對(duì)電流變液的電學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)等性質(zhì)均有顯著影響。Zhao等研究了電流變液的衍射、透射、近紅外等光學(xué)特性以及對(duì)微波的透射和反射的可調(diào)控性[1-6]。本文研究了在外加電場(chǎng)作用下淀粉電流變液的電光效應(yīng)，測(cè)量了不同濃度的淀粉電流變液在不同外加電場(chǎng)作用下透射光強(qiáng)的變化。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)采用的電流變液試樣為淀粉和硅油組成的懸浮液，將淀粉加入硅油中攪動(dòng)均勻，配制成乳白色懸浮液。本實(shí)驗(yàn)共配制三種濃度試樣，質(zhì)量百分比分別為：0.5%，0.75% 和1.0%。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，從左至右由激光器、起偏器P、高壓直流電源、檢偏器A以及電光檢測(cè)器構(gòu)成。

電流變液試樣放于容器盒中，容器盒為長方體塑料盒，兩銅片電極置于容器盒相對(duì)兩側(cè)面上，電極間距為13mm，電極足夠?qū)挘梢院雎赃吘増?chǎng)的影響。可調(diào)高壓直流電源與電極相接。電光檢測(cè)器用于檢測(cè)透過電流變液試樣后產(chǎn)生的光電流。兩偏振片P和A的透振方向互相垂直，電極方向與兩偏振片分別垂直，不加試樣時(shí)沒有光線射出這對(duì)正交的偏振片。放入電流變液試樣后，在零電場(chǎng)作用下，沒有光線透過這對(duì)偏振片；當(dāng)給試樣加上適當(dāng)大小的電場(chǎng)時(shí)，就有光線透過這個(gè)光學(xué)系統(tǒng)。

在本實(shí)驗(yàn)中，通過改變淀粉電流變液試樣兩端電壓，觀察光強(qiáng)指示變化，來探討其中的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)中電壓每隔一千伏進(jìn)行一次檢測(cè)，同時(shí)考慮到外界擾動(dòng)，每隔一秒記錄一個(gè)數(shù)據(jù)，共記錄五組數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

三種濃度的淀粉電流變液試樣的 I-E 曲線分別如圖2、3、4所示，橫坐標(biāo)為所加電場(chǎng)大小，縱坐標(biāo)為檢測(cè)到的光電流大小。它們顯示了透射光隨電場(chǎng)強(qiáng)度變化而變化的情況。

圖2中，淀粉電流變液試樣濃度為0.5%，電場(chǎng)強(qiáng)度較低時(shí)，曲線上升比較平緩，近似線性變化；電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到0.6至0.7kV/mm時(shí)，曲線陡然上升，直至達(dá)到最大值，然后開始急劇下降。

從圖3可以看出，對(duì)于濃度為0.75%的試樣，電場(chǎng)強(qiáng)度在大約0.3kV/mm以前，曲線上升比較緩慢，0.3kV/mm以后曲線陡然上升，光電流在0.5kV/mm左右達(dá)到最大值，然后開始下降。

由圖4可知，當(dāng)試樣濃度為1.0%時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度到達(dá)大約0.15kV/mm以后，曲線上升較為迅速，光電流在0.4kV/mm左右達(dá)到最大值，然后開始下降，下降速度較之前平緩。

3 討論

電場(chǎng)強(qiáng)度較低時(shí)，光電流隨電場(chǎng)強(qiáng)度增加而上升的幅度較平緩。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到某一定值時(shí)，光電流隨電場(chǎng)強(qiáng)度增加而急劇度上升，近似二次曲線。光電流達(dá)到最大值后，光電流隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加急劇下降。隨著電流變液濃度的增加，I-E曲線變化趨于平緩，光電流達(dá)到最大值時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度較小，而最大光電流值也較小。

這是因?yàn)椋婚_始電場(chǎng)強(qiáng)度不夠，淀粉顆粒處于均勻分布狀態(tài)，基本沒有透過的光線。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度逐步增大時(shí)，淀粉顆粒開始發(fā)生極化而相互作用，形成平行于電場(chǎng)的鏈或柱狀結(jié)構(gòu)，電流變液從各向同性變?yōu)楦飨虍愋裕陔妶?chǎng)作用下變成了雙折射物質(zhì)，于是在光的作用下產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，透過的光線逐步增加，光電流逐漸增大。然后當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到某一定值時(shí)，所形成的鏈或柱狀結(jié)構(gòu)越來越規(guī)則，之間產(chǎn)生的縫隙越來越整齊，透過的光線快速增加，產(chǎn)生的光電流也隨之明顯增大，I-E特性曲線快速上升。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的進(jìn)一步增加，產(chǎn)生的鏈或柱狀結(jié)構(gòu)越來越多，便開始阻擋光線的通過，產(chǎn)生的光電流便減少，特性曲線下降。

濃度高的電流變液其曲線更平緩，這是因?yàn)槔锩娴牡矸垲w粒多，形成鏈或柱狀結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的縫隙比較小，并且縫隙里有可能仍有淀粉顆粒存在。因此濃度高的電流變液比濃度低的電流變液雙折射現(xiàn)象更弱，透射光強(qiáng)更小。

4 總結(jié)

本文研究了淀粉電流變液的電光效應(yīng)。配制了3種濃度的電流變液樣本，通過電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)繪制了其I-E特性曲線，得到了電流變液的透射光強(qiáng)隨電場(chǎng)強(qiáng)度的變化規(guī)律，并對(duì)結(jié)果做了分析。結(jié)論如下：

（1）淀粉電流變液在外加電場(chǎng)作用下，具有電光效應(yīng)。不同濃度的淀粉電流變液I-E曲線具有相同的趨勢(shì)，都是先增大后減小。濃度越高，達(dá)到最大光電流所需的電場(chǎng)強(qiáng)度越低。

（2）隨著濃度的增加，淀粉電流變液的電光效應(yīng)減弱，光的透射率在下降。故電壓對(duì)低濃度的淀粉電流變液的折射率調(diào)控作用強(qiáng)，而對(duì)高濃度的淀粉電流變液的折射率調(diào)控作用效果較弱。

致謝

在此感謝湖北省教育廳指導(dǎo)性科研計(jì)劃項(xiàng)目（No. 2015p9）和武漢輕工大學(xué)校立科研青年項(xiàng)目（No. 2013y27）對(duì)本文的支持。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]