基于可視化的電流變動力學中的俘獲效應

， ，，(.， 405； .交通工程學院交通系， 4000)

1 前 言

電流變懸浮液作為一種流變特性可受外電場調控的新型智能材料[1-4]，因其具有響應快、工作能耗低、致動力變化范圍大等優點，而一直備受科研工作者們的關注。但至今仍然沒有一項基于電流變材料的成熟產品進入市場。究其原因，是對電流變液在外電場作用下的各種力學性能表征及其內在的機理研究不夠透徹，特別是對多場(流動場，電場等)耦合作用下的力學性能與場致亞微觀結構的動態耦合關系的理解還不夠深入。因此準確地表征電流變液在動態場下結構與力學性能的動態耦合關系對詮釋電流變效應的內在機理具有重要意義。

雖然科研工作者進行了大量的數值模擬仿真研究電流變效應的內在機理，并取得諸多卓有成效的成果[5-8]，但這與電流變液的實際物理形體和動力學行為仍有一定距離，且工程應用中的一些干擾因素也無法考慮。另外，由于電流變液的電流變效應具有響應快速且發生的時空尺度又非常小，特殊的激勵方式(電場強度非常大，電壓往往高達幾千伏)以及電場作用下其復雜的結構演變過程，都極大地阻礙了對電流變效應這一物理響應過程的直觀觀測。而動力學可視化工作對于直觀而又深入地理解電流變液在多場下的結構-力動態耦合關系起著至關重要的作用。

Rhee[9]、Nam[10]、Mak和Orihara等[11-12]利用可視化試驗研究分析了流動場下電流變液的流動特性與其亞微觀結構演變過程的關系，研究了剪切力與電場力對電流變液亞微觀結構的影響。Zhang 和Liu等[13-14]則利用可視化試驗研究了芯-殼結構型介電顆粒的電流變液在外電場作用下的流變特性。Tian和Gracia等[15-16]則通過擠壓試驗，觀察了電流變液在不同電場作用下亞微觀結構的動態變化。

上述科學實驗僅限于觀測某個單一場內電流變液的亞微觀結構隨時間的演變過程。而在多場耦合作用下，對于定點或跟蹤部分顆粒或者微團隨時間變化的運動規律以及結構-力的耦合關系沒有進行過觀察；其次，也沒有對俘獲效應現象及其在亞微觀結構的演變過程中產生的影響進行研究。無疑，這部分信息的未知，極大地限制了對電流變效應機理的全面而深入的認識。基于此，本文使用自制的可視化實驗臺實現了對電流變液顆粒的跟蹤觀察，直觀地觀察了俘獲效應現象，并對其進行了相關研究。

2 電流變動力學中的俘獲效應

2.1 實驗工作

利用圖1所示的試驗裝置進行電流變流體動力傳輸的試驗研究工作，得到圖2所示的試驗曲線圖[17]。

圖1 試驗系統的回路原理圖Fig.1 Circuit schematic diagram of the test system

圖2中壓力波的出現，說明流動場中形成的鏈狀網絡結構并不穩定，即處于形成-崩裂-形成的過程。當鏈狀網絡結構受到大于臨界的剪切應力值或壓力梯度值的時候，該結構出現崩裂，顆粒的運動變得紊亂。另外，在控制流動場中，由于鏈狀網絡結構的存在，將對上游流過該場的電敏顆粒產生一個俘獲過程，進而改變該場中流動介質的固相分率φ、密度ρ、顆粒的堆積形式N(即結構的動態變化)，甚至介質的電特性，致使場中鏈狀網絡結構強度呈增強趨勢。因此，將該現象定義為電流變動力學中表現出的俘獲效應。

圖2 (a)環形結構元件(虛線：電流9μA,流速為150mL/150s，油溫為19℃；實線：電流9μA,流速為305mL/150s,油溫為24.5℃)；(b)平行板元件(實線：電場強度為2500kV/m,電流為33μA，流速為420mL/174s，油溫30℃)Fig.2 (a) Annular structure element (step signal of the dashed line: electric current: 9μA, flow rate:150mL/150s, oil temperature at outlet: 19℃. Step signal of the real line: electric current: 9μA, flow rate:305mL/150s, oil temperature at outlet: 24.5℃); (b) Parallel-plates structure element (step signal: electric intensity: 2500kV/m, electric current: 33μA, flow rate:420mL/174s, oil temperature at outlet: 30℃)

2.2 理論工作

假設流動場內的懸浮液基液具有連續性、各向同性和不可壓縮性，可以得到如下流動控制方程：

(1)

(2)

其中：ε為介電常數，η為動力粘度(Pa·s)，為梯度算子；另外ui，wi分別是第i個顆粒的線速度和角速度；而Fn，Fer分別是流體動力和粒子間的相互作用力。若作用在單位體積基液上的力僅為F，根據能量守恒定律可以得到如下方程：

(3)

式(3)中的第一項是由于俘獲效應而導致粒子不均勻分布的力，第二項是俘獲效應使得粒子微觀結構發生變化的力。運用克勞修斯定律對(3)進行簡化可得：

F=f(E,β(t,Φ(t)),N(t))

(4)

因此，方程(4)的數學表達式，是一個與電場強度E，電特性β(t,Φ(t))和電流變懸浮液內在結構N(t)相關的并且可以用來表征俘獲效應的力學函數表達式。

3 可視化試驗設備及材料

3.1 可視化試驗臺的設計

根據試驗參數與功能要求，綜合考慮機械設計、信號測試和處理技術，本文擬定了如圖3所示的設計方案[18]。

A.壓力變送器； B.數碼顯微鏡； C.電流變閥；D. PC機； E.直流高壓電源； F. DH5920動態數據采集儀圖3 可視化實驗臺的原理示意圖(a)及其實物圖(b)Fig.3 Schematic diagram of the experimental apparatus (a), picture of real products (b)

可視化試驗臺由動力源、傳動機構、液壓系統、控制系統、采集系統等部分組成。其工作原理為步進電機1帶動滾珠絲桿旋轉，以控制油缸活塞桿的推進速度，進而控制電流變閥(即控制場)內的電流變液的流動速度(形成Poiseuille流)；電流變閥由絕緣端座、透明玻璃和導電極板組成，其兩端分別裝有壓力變送器，以記錄電流變液進出電流變閥時的壓力變化；電流變閥的上方裝有一數碼顯微鏡(AM413ZT)，可由與步進電機2連接的絲桿帶動水平運動，實現定點或追蹤電敏顆粒在控制場內的亞微觀結構演變過程；流量的調節是由PC機控制步進電機1來實現；各數據采集設備與PC機相連接；補償油箱可實現懸浮液的混勻與加熱。

3.2 電流變懸浮液的配方

電流變懸浮液的體積分數φ=0.15，其中連續相的基本參數：材料取二甲基硅油，粘度η=1Pa·s(室溫20℃)，密度為0.96g/cm3，相對介電常數εc=2.0；離散相的基本參數：材料取陰離子交換樹脂，淡黃色球形顆粒，粒徑0.125～0.350mm，密度1.12～1.20g/cm3，相對介電常數εp=4.8。經測試，其電流變性能曲線如圖4所示。

圖4 流變儀測試數據曲線圖Fig.4 Characteristic curve of the rheometer test data

4 可視化試驗與討論

本試驗著重研究在動態耦合場(流動場，電場等)下，電流變液在控制場中的俘獲效應及其對流變力學性能的影響。通過追蹤捕捉電敏顆粒的運動取向、位置變化和控制場內的邊界信息等，分析鏈狀網絡結構變化情況[19-21]，以及該結構與力的耦合關系，從而為理論建模提供依據。

4.1 動態耦合場下的俘獲效應

實驗采用普通電源開關模擬的階躍信號，強度為：E=1.0kV/mm；電流變閥(即控制場)中電流變液的流速為：v=2cm/s，外加電場的作用時間為T。通過追蹤觀察電敏顆粒的位置變化，進而研究控制場內電流變液亞微觀結構演變過程中的俘獲效應，如圖5所示(俯視拍照)。

由電流變效應可知，當施加高壓電源時，顆粒與相鄰顆粒迅速聚集，并沿電場方向以兩電極板為起點向中間區域逐漸延伸最終形成鏈狀網絡結構。當T=2.0s時，電敏顆粒在控制場內逐漸形成了一定的鏈狀網絡結構。T=2.2s時，觀察到控制場內的鏈狀網絡結構的每條單鏈附近聚集了大量的自由電敏顆粒。從圖(a)～(b)可知，在200ms的時間內控制場中的顆粒數目明顯增多，致使流動介質的固相分率φ和密度ρ呈增大趨勢。因此，動態耦合場下，俘獲效應的存在使得鏈狀網絡結構能夠捕獲來自上游的自由電敏顆粒。

圖5 控制場中的俘獲效應(E=1.0 kV/mm；v=2cm/s)
(a) 2.0 Sec; (b) 2.2 Sec; (c) 2.4 Sec; (d) 2.6 Sec
Fig.5 Capture effect of the control field(E=1.0 kV/mm；v=2cm/s)
(a) 2.0 Sec; (b) 2.2 Sec; (c) 2.4 Sec; (d) 2.6 Sec

另外，顆粒在電場作用下所成的鏈狀網絡結構處于一種準穩定狀態(“形成-崩裂-形成”)，其會隨時間變化而變化。當T=2.4s，由于電敏顆粒的重新堆積，電流變液的場致亞微觀結構發生了動態變化，新的鏈狀網絡結構捕獲的電敏顆粒的數量并不相同，致使顆粒堆積形式N將發生改變。當T=2.6s時，由于被俘獲的顆粒不斷聚集在鏈狀網絡結構上，從而使得鏈狀網絡結構的強度得以增強。

因此，通過可視化實驗采集到的動態變化映像，可直觀地觀察動態耦合場下電流變液亞微觀結構演變過程中的俘獲效應現象。該現象表明：在微觀上表現為流動介質的不均勻性變化和介質形變時的密度變化，宏觀上則是電流變效應的強度得以持續性增強。

4.2 動態耦合場下俘獲效應對流變力學性能的影響

在電流變液可視化實驗過程中可直觀觀察到，動態耦合場下的俘獲效應將會引起系統的微觀結構的動態變化和宏觀力學性能的波動。

從圖6(a)～(d)和力學函數(1)～(4)可知，俘獲作用通過改變控制場內流動介質的固相分率φ、顆粒的密度ρ和堆積形式N(即微觀結構的動態變化)，從而引起流動介質的介電屬性發生變化(即力學性能的動態變化)進而使耦合場中的作用力也發生變化。在外加電場強度不變的情況下，場中鏈狀網絡結構強度呈增強趨勢，宏觀表現為流動阻尼繼續增大(結構與力動態耦合的宏觀表現)，直至達到該電場下的飽和值。由于流動場中存在俘獲效應，導致流動介質從“極化”到“流變”的轉化中不僅僅存在某種“結構”，同時還存在一個該結構與其力學性能動態耦合的過程。

圖6 動態耦合場下，俘獲效應對流變力學性能的影響 (a) 3.0 Sec; (b) 3.2 Sec; (c) 3.4 Sec; (d) 3.6 Sec
Fig.6 Under the dynamic coupling field, the influence of capture effect on the rheological and mechanical properties (a) 3.0 Sec; (b) 3.2 Sec; (c) 3.4 Sec; (d) 3.6 Sec

5 結 論

本文首先利用電流變流體動力傳輸實驗對俘獲理論進行探討，并得出俘獲效應的力函數表達式，然后再利用可視化試驗臺對電流變液在動態耦合場作用下的動力學行為進行了直觀而深入的研究。基于追蹤電敏顆粒的位置變化可發現：耦合場下動力學過程中，電流變液的場致亞微觀結構發生變化的同時還存在俘獲效應。研究結果表明：在動態耦合場下，由于俘獲效應的存在將會對電流變液的亞微觀結構與力學性能產生影響。即，準穩定的鏈狀網絡結構在“形成-崩裂-形成”的動態重組過程中，它會對來自上游的電敏顆粒具有俘獲作用，改變了控制場中流動介質的固相分率φ、顆粒的密度ρ及其堆積形式N，引起顆粒間的相互作用力也發生改變，進而使得重新組成的鏈狀網絡結構更加穩定。

[1] W.M. Winslow. Induced Fibration of Suspensions [J]. Appl. Phys, 1949, 20(12): 1137～1140.

[2] Zhang W L, Choi H J. Stimuli-responsive Polymers and Colloids under Electric and Magnetic Fields[J]. Polymers, 2014, 6(11): 2803～2818.

[3] Sheng P, Wen W. Electrorheological Fluids: Mechanisms, Dynamics, and Microfluidics Applications[J]. Annual Review of Fluid Mechanics, 2012, 44(44): 143～174.

[4] 易新文,李飛,胡克鰲.電流變體研究進展[J].材料科學與工程學報,2002,20(1):77～80.

[5] Cao J G, Huang J P, Zhou L W. Structure of Electrorheological Fluids under an Electric Field and a Shear Flow: Experiment and Computer Simulation[J]. The Journal of Physical Chemistry B, 2006, 110(24): 11635～11639.

[6] J.Kadaksham,P.Singh,N.Aubry. Dynamics of Electrorheological Suspensions Subjected to Spatially Nonuniform Electric Fields[J].Journal of Fluids Engineering,2004,126(2):170～179.

[7] Zhao X P, Yin J B. Preparation and Electrorheological Characteristics of Rare-earth-doped TiO2 Suspensions[J]. Chemistry of Materials, 2002, 14(5): 2258～2263.

[8] Limsimarat A, Techaumnat B. Dynamic Simulation Using a Multipolar Model of Particles under Dielectrophoretic Force[J]. Journal of Electrostatics, 2007, 65(65): 672～679.

[9] Rhee E J, Park M K, Yamane R, et al. A Study on the Relation Between Flow Characteristics and Cluster Formation of Electrorheological Fluid Using Visualization[J]. Experiments in Fluids, 2003, 34(3): 316～323.

[10] Nam Y J, Park M K, Yamane R. Dynamic Responses of Electrorheological Fluid in Steady Pressure Flow[J]. Experiments in Fluids, 2008, 44(6): 915～926.

[11] Kontopoulou M, Kaufman M, Docoslis A. Electrorheological Properties of PDMS/Carbon Black Suspensions under Shear Flow[J]. Rheologica Acta, 2009, 48(4): 409～421.

[12] Orihara H, Nishimoto Y, Aida K, et al. Three-dimensional Observation of an Immiscible Polymer Blend Subjected to a Step Electric Field under Shear Flow[J]. Physical Review E, 2011, 83(2): 436～445.

[13] Zhang W L, Liu Y D, Choi H J. Graphene Oxide Coated Core-shell Structured Polystyrene Microspheres and Their Electrorheological Characteristics under Applied Electric Field[J]. Journal of Materials Chemistry, 2011, 21(19): 6916～6921.

[14] Liu Y D, Quan X, Hwang B, et al. Core-shell-structured Monodisperse Copolymer/silica Particle Suspension and Its Electrorheological Response[J]. Langmuir, 2014, 30(7): 1729～1734.

[15] Tian Y, Zhang M, Meng Y, et al. Transient Response of Compressed Electrorheological Fluid[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2005, 290(1): 289～291.

[16] Gracia-Fernández C, Gómez-Barreiro S,lvarez-García A, et al. Electrorheological Behaviour of a Starch-oil System[J]. Rheologica Acta, 2014, 53(8): 655～661.

[17] Shisha Z, Hongli S, Yijian H, et al. Capture Effect of Electrorheological Suspensions in Flow field[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2007, 20(2):97～100.

[18] 朱石沙,唐濤.一種電流變液可視化試驗臺[P].中國專利, 201310624089.4,2013-12-2.

[19] Kor Y K, See H. The Electrorheological Response of Elongated Particles[J]. Rheologica Acta, 2010, 49(7): 741～756．

[20] Aliotta F, Calandra P, Pochylski M, et al. Enhancement of Electrorheological Effect by Particle-fluid Interaction[J]. Physical Review E, 2013, 87(6): 062304～062304.

[21] 朱石沙,羅奇,劉金剛.恒壓驅動流下電流變液動力學可視化實驗研究[J].材料導報,2015, 29(7):82～86.