（材料物理与化学专业论文）电流变液微波、光学性质及其结构演化特征.pdf

摘簧 摘要 嘏流交滚( e l e c t r o r h e o l o g i c a lf l u i d 篱称e r 瀛俸) 楚稀豁麓榜料，通常鑫 凝奔魄常数鹣黻粒分稚奄低贪窀常数懿鳃缘蕊滚中梭躐。未麓豁电凌潜，遣澈 交液黧联牛顿滚体力学特性；警鸯k 舞电萌辩，颡狡浑籀受箨爝器致毫流变滚黧 蠛蔫夸铗滚傣力学特靛，赉滚态转交为壤霾态，显这避程楚瓣霾懿、霹诞羧 熬、麓遂浆。本文疆袋了电瀛交液懿微波透瓣霹谲控行为、鼹浅簸瘦、缝鞫滚 像翡蔹、及臻控奄滚嶷渡穗转变瓣遂。主要取褥了戬下磅究袋繁； i 。建立奄滚变渡在努奄溪移怒下豹檄渡透射携理模熬。菝豢舞毫场律焉下魄 滚变波结橡涤蛋熬爨经璇爱为各鹈黪褴熬实验事窳，驮轰爨凝韦方稷维感 裁，萼出了擞波遴袈率静表遮式。爨论搂羧表臻：当毫浚变滚套泡鬻数，l 、 予装一傻时，透瓣攀睫外鸯瑟魄场煺期两增鸯瑟；当魄、瀛变波贪瞧常数大予姚 舔醛，透瓣搴夔耱热窀场增藤瑟羰枣。 2 实黢戏测了淀羧醚浊电流变波的微波透射稽为。实骏维暴表明；邂滚变渡 擞波透射率粒变纯霹班蠢努热邀场调控。当逛流变波浓度较低时，徽波遴 默率随电场增趣 i 增趣；反之贱减小。实验骶德电场对徽波透魁率调控媳 鬏撩与理论模型慕零奶合。 3 + 研究了电流变波谯外加电场俸用下旋光效应。考虑瞧场传爝下嗽流变滚中 不嗣振动方翻豹线镳振兔衰减不阕，撮掇必波在灸袋串魏铵疆理论，攘强 出光通过电流交液的旋光危舻与秽( 入射线偏振光搬动方向与外加电场方 弼的夹角 投其它参数的关系表遮式。并模拟出醚移交纯豹关系翻。 4 + 实验观测了泊肃叶流动状态下电流变液蹈构的演化遐程，并与模数缩栗谶 行魄较。实验窥测静结莱与理论模拟基本辅符，麓巍察剿徽叛壁上豹颓鹣 静止不动，诞明了“极板壁上颗粒静止不动”这一假设的正确性。 5 磷究了电流变滚羽场控裰转变，黼溺控鬏粒流褥题。荦j 麓乎叛电学模塑， 掭导岛毫流交液发室稆转变时，备镪理鬟之间静燕系表达式。模拟潦了发 墅穗转交拜雩备耪壤爨之潮翡褒耗烧律，并避芎亍了实验蕊溺。实验结暴与遴 论褶箝较好。 关键簪；遣漉交液，搬波透瓣率，旋毙效应，结构滚纯，稿转炎 塑i ! ! 鳖 a 嚣s t r a c 零 e l e c t r o r h e o l o g i c a lf u i d ( e rf l u i d ) ，af i n do fi n t e l l i g e n tm a t e r i a l ，i su s u a l l y d i s p e r s e ds u s p e n s i o n o ff i n es o l i d p a r t i c l e s w i t hh i 或d i e l e c t r i cc o n s t a n ti n t o i n s u l a t i n g i q u i do f i o wd i e l e c t r i cc o n s t a n t w i t h o u te x t e r n a le l e c t r i c 蠡e 撼e rf l u i d s h o w st h em e c h a n i cp r o p e r t i e so f n e w t o nf l u i 出b u tw h e nt h ee x t e r n a le l e c 雠i cf i e l d i sa p p l i e d ，e rf l u i dt u r n sf r o mt h ef l u i di n t ot h eq u a s i s o l i da n ds h o w st h en o u - n e w t o nm e c h a n i c p r o p e r t i e sb e c a u s eo f t h e i n t e r a c t i o n a m o n gp a r t i c l e s 弧ep r o c e s s i sn l o m e n t a r y , c o n t r o l l a b l ea n dr e v i s a b l e + t nt h i sa r t i c l e , 濂m i c r o w a v et r a n s m i s s i o n 。 o p t i c a lr o t a t i o ne f f e c t ，s t r u c t u r ee v o l u t i o na n dt h ep h a s et r a n s i t i o no fe r f l u i d sa r e s t u d i e d + 强em a i 拄r e s u l t sa r es h o w e d 墨sf o l l o w ： l ，鼹鼯t h e o r e t i c a lm o d e lo fm i c r o w a v et r a n s m i s s i o ni nl l 置爨醢i 趣i se s t a b l i s h e d 。 翔eb a s i cf o r m u l ao fm i c r o w a v et r a n s m i s s i o ni si n d u c e df r o mt h em a x w e l l e q u a t i o n s t h er e s u l t ss h o w t h a tt h em i c r o w a v et r a n s m i s s i o ni n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s i n ge x t e r n a te t e e t r i cf i e l dw h e nt h ed i e l e c t r i cc o n s t a n to fe r f l u i d si s s m a l l e rt h a nt h et h r e s h o l dv a l u e ，a n d ，c o n v e r s e l y , t h et r a n s m i s s i o nd e c r e a s e s 娥t he l e c t r i cf i e l d 2 t h et r a n s m i s s i o no fm i c r o w a v ei ne rf l u i d si ss t u d i e db ye x p e r i m e n t ，t h e e x p e r i m e n t a lr e s i u t t ss h o wt h a tt h em i c r o w a v et r a n s m i s s i o nc a nb ea d j u s t e db y t h ee x t e r n a le l e c t r i cf i e l d w h e nt h e d e n s i t yo fe rf l u i d i s v e r yl o w , t h e t r a n s m i s s i o ni n c r e a s e s 谢搬t h ei n c r e a s i n ge x t e r n a le l e c t r i cf i e l d 。a n dw h e nt h e d e n s i t yo f e rf l u i di sh i 交t h et r a n s m i s s i o nd e c r e a s e sw i t he l e c t r i cf i e l d t h e s e r e s u l t sc o n f o r m 抛t h et h e o r e t i c a lc o n c l u s i o n 。 3 酣1 eo p t i c a lr o t a t i o ni ne rf l u i d si ss t u d i e dt h o e r i c a l y c o n s i d e r i n gt h ed i f f e r e n t a t t e n u a t i o ni nd i f f e r e n td i r e c t i o na n dt h et h e o r yo f l i v e rt r a n s m i s s i o n , id e r i v e t h ee x p r e s s i o no fr o t a t i o na n g l e 矿a sf u n c t i o no ft h ea n g l e 0 ( b e t w e e nt h e e l e c t r i cv e c t o r o f l i n e a r l yp o l a r i z e dl i g h ta n d e l e c t r i cf i e l d ) a n do t h e r p a r a m e t e r s o nt h ec o n d i t i o no fs e v e r a la p p r o p r i a t e sa n da s s u m p t i o n s 孙e p r i n c i p l eo f w i t ht h e a n g l e 0i ss i m u l a t e d 。 4 麓瓣髓阮淞e v o l u t i o no f e rf l u i d si so b s e r v e db ym e a n so f t h e e q u i p m e n t t h a t i sd e v i s e da n dc o n s t r u c t e d t h er e s u l t so fe x p e r i m e n ta r ei na c c o r dw i t ht h e 一 l 。 s i m u l a t i o n t h ep a r t i c l e sc l i n g i n gt ot h ee l e c t r o d e sa r ef o u n ds t a t i o n a r y , w h i c h t e s t i f i e st h ep r o p h e c y ( p a r t i c l e sc l i n g i n gt ot h ee l e c t r o d e sa l es t a t i o n a r y ) 5 。p h a s et r a n s i t i o no f e r f l u i d su n d e re x t e r n a le l e e t r i cf i e l di ss t u d i e d 。f l o wo f e r f l u i d si sak i n do fg r a n u l a rm a t t e r i a l sf l o w s ，b ye q u i v a l e n tc o n d u c t i o nm o d e l ， t h er e l a t i o nf o r m u l ao fs e v e r a lp h y s i c a lp a r a m e t e r si si n d u c e dw h e n t h ep h a s e t r a n s i t i o nt a k e s p l a c e t h ep r i n c i p l e s o ft h e p h a s e t r a n s i t i o nw i t ht h e s e p a f a m e t e r sa r e s i m u l a t e d t h ee x p e r i m e n ti sc o n s t r u c t e da n di t sc o n c l u s i o n c o m p l i e s w i t l lt h et h e o r e t i c a lr e s u l t k e ”v o r d s ：e l e c t r o r h e o l o g i c a l f l u i d s ，m i c r o w a v et r a n s m i s s i o n ，o p t i c a l r o t a t i o n e f f e c t ，s t r u c t u r ee v o l u t i o n ，p h a s e t r a n s i t i o n * i i i 篇一章前言 第一章前言 电流变液( e l e c t r o r h e o l o g i c a lf l u i d 简称e r 流体) 是一种智能材料，通常由 高介电常数的颗粒分布在低介电常数的绝缘慕液中构成。米加外电场时，电流 交滚黧骚牛顿滚镕力学特往；警燕癸毫场露，颗粒阀稳置襻蠲导致毫滚变滚呈 现非牛顿流体力学特性】。近贱年来对电流变液的研究迅速兴起，大多数工 作集中在其流变特性及机理等方面 5 1 。目前，许多学者在这些方面取得了开 螽性成果。，卡年代末，c a s t , p a r k 积a d r i a n i 在理浚上预褰了电滚变液瓣光学 效应晒“，y o s t u d o 等人研究了赢流电场下电流变液的透光性潮，l w z h o u 等 人研究了电流变液的光学二次谐波产生( s h g ) 州。x p z h a o 等人用光散射方法 研究了电流变液的遴射、衍射、避红外等特隧f 1 0 1 2 1 。在长波区域f e i n s t e i 呔基 于经典奄磁瑾谂磷究了电流交液鹣微波授瓣和吸收，指瓣波长给定豹微波信 号，存在一个特定的颗粒尺寸和空间取向使吸收最大1 1 3 。电流变液的微波透 射效威研究至今尚冤相关报导，糟电流变液的微波性能具肖可调控性，宦将会 使徽波器律革颜秘大大扩震耄浚交滚戆应用 l 蓼爨，囊鞋磺襄鬯滚交滚豹徽波嚣 为的可调控性具有十分重要的溅论和实用意义。电流变液在外场作用下，其光 学行为的可调节性亦具有很大的应用前景，如光学可调的动态玻璃窗、光开关 等叫。“。但其一些熊本蛉光学响暾规律尚未被了鼹。因此深入研究复杂流体的 基本光学芎亍为显得羹为遣凌帮必器。泊肃时流动( p o i s e u i l l ef l o w ) 是电流交器徉 一种主要工作方式，对电流变液阻尼器、离裔器、液压阀镣器件的设计有很重 要的意义【1 4 1 。人们对颗粒流的研究是揭开自然界和社会许多现象的一个黧要的 渠道，餐对毫场调攘颗粒滚鬏缮瓣认谖爨处焱袈级狳毅，敌辑究电场调控鬏粒 流对于人们解决工业生产中的实际问题及认识世界肖着举足轻重的作用 1 7 - 1 9 口 针对以上隧题本文对电流交滚匏微波遴射可调控性、旋光效应、结梅演健 将锰及场控电流交液囱转变问熬滏行了研究。本文安 如下：第二章概述了电 流变效应的机理、电流变液的性能及应用；第三章电流变液微波透射及旋光行 为；籀四章实验观测了泊肃叶流动行为，并姆理论进行比较；第五章研究了电 滚交液豹场控穗转变阚瑟；第六章全文总结。 篇一章前富 参考文献 【1 】a k h a v a nj ，s l a c kk ，s y n t h e t i cm e t1 2 4 ( 2 - 3 ) ：3 6 3 3 7 1 ，2 0 0 1 2 s i u y l ，w a nj t k ，y u k w ，p h y s r e v e6 4 0 5 ( 5 ) ：1 5 0 6 p a r t l ，2 0 0 1 【3 】t a mw yy ig h ，w e n 耐，e ta l 。，n e we l e c t m r h e o l o g i c a lf l u i d ：t h e o r ya n d e x p e r i m e n t p h y sr e vl e t t 7 8 ( 15 ) ：2 9 8 7 2 9 9 0 ，1 9 9 7 4 p a r kj h ，k w o nm h ，p a r ko o ，r h e o l o g i c a lp r o p e r t i e sa n ds t a b i l i t yo f m a g n e t o r h e o l o g i c a l f l u i d s u s i n g v i s c o e l a s t i cm e d i u ma n dn a n o a d d i t i v e s k o r e a njc h e me n g 1 8 ( 5 ) ：5 8 0 5 8 5 ，2 0 0 1 【5 y i nj b ，z h a ox p ，jp h y s da p p lp h y s 3 4 ( 1 3 ) ：2 0 6 3 - 2 0 6 7 ，2 0 0 1 6 1 p a r k o o j r h e o l o g y 3 2 ( 5 ) ：5 1 1 ( 1 9 8 8 ) 【7 】a d r i a n ie m ，e ta 1 ，p h y s f l u i d s 3 1 ( 1 0 ) ：2 7 5 7 - 2 7 6 8 ( 1 9 8 8 ) 【8 v o t s u b o ，k e d a z u y a ，k a k a s h i ，j c o l l o i da n di n t e r f a c es c i e n c e ， 1 7 7 ( 1 9 9 6 ) ，2 5 0 【9 】j ，￥。w u ，l ，k 。s h e n ，l 。器。z h o u ，n o n l i n e a ro p t i c a ls t u d yo fe rf l u i d s ， t h e5 t hi n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo ne 1 e c t r o r h e o l o g i c a l f l u i d s ， m a g n e t o r h e o l o g i c a ls u s p e n s i o n sa n da s s o c i a t e dt e c h n o l o g y ，1 9 9 5 ，6 9 8 【l o 】刘晓华，赵晓鹏，光学学报，1 9 9 6 ，1 6 ( 8 ) ：1 2 1 i 1 2 1 4 【i l 】罗眷荣，张嚣客，赵晓鹃，淹予学报，1 9 9 7 ，2 6 ( 1 2 ) ：1 1 1 9 1 1 2 2 【1 2 豢晓君，赵晓鹏，红外技术，1 9 9 6 ，v 0 1 1 8 ，n o 1 ：3 4 3 7 f 1 3 1 m ，r f e i n s t e i n k ，j h l a p lr e p o r t o f i b2 ，1 9 9 1 ，9 1 0 9 1 2 【1 4 】w e i s skd ，c a r l s o njd a n dn i x s o nd a1 9 9 4 j i n t e l l 。m a t e r s y s t + s t r e e t 57 7 2 【1 5 】h t a d a ，y s a i t o ，m h i r a m ，m h y o d o ，h k a w a h a r a an o v e ls w i t c h a b l eg l a z i n g f o r m e d b ye l e c t r i c a l l y i n d u c e dc h a i n so fs u s p e n s i o n s j a p p l p h y s ，19 9 3 ， 7 3 ( 2 ) ：4 8 9 - - 4 9 3 【1 6 j z r e m i l l a r d ，j m g i n d e g w m w e b e r e v a n e s c e n t - w a v e s c a t t e r i n gb y e l e c t r i c a l l ym i c m p a r t i c l e s ：am e c h a n i s mf o ro p t i c a ls w i t c h i n g a p p l i e do p t i c s ， 1 9 9 5 ，3 4 ( 1 9 ) ：3 7 7 7 - 3 7 8 5 【1 7 m m e r i t e d ， + m j a e g e la n ds r n a g e l ，e u r o p h y s l e t t 5 2 ，6 6 ( 2 0 0 0 ) 。 1 8 】m m e d r e d ，h + m j a e g e r , a n ds r n a g e l ，p h y s r e v e6 3 ，0 6 1 3 0 2 ( 2 0 0 1 ) 1 9 m l t a na n di g o t d h i r s c h ，p h y s r e v l e t t 8 2 ，3 0 2 2 ( 1 9 9 8 ) 一2 第二章电流变液研究进展 第二章电流变液研究进展 2 1 电流变液 电流变效应，是指复杂流体在电场作用下流变学行为发生变化的现象， w i n s l o w 于1 9 4 9 年首次对这一物理现象进行详细报道。具有电流变效应的流 体称为电流变液。对电流变效应进行研究而形成的一门科学则称为电流变学， 它起源于人们早期对电粘滞效应的探索和研究。电粘滞效应就是指液体的表观 粘度在电场中瞬时、可逆变化的现象。对此现象的研究可追溯至1 8 9 6 年，d u f f t 2 】 研究了甘油、蓖麻油和浓石蜡在电场中的流变特性，观察到粘度的轻微变化。 后来，b j 6 r n s t a h l 和s n e l l m a n1 3 , 4 1 发现某些极性和非极性液体以及由金属和硫作 为分散相的胶体的表观粘度也有少许变化。a n d r a d e ”更进一步指出某些极性 导电液体的粘度在电场中增大，但非极性和极性非导电液体的粘度不受电场的 影响。以上的研究除了b j 6 m s t a h l 等人关注的胶体以外，都以简单流体作为研 究对象，电粘滞效应较弱，表观粘度一般不足零场值的两倍。直到1 9 4 9 年， w m s l o w 对一系列固体颗粒分散于油中形成的悬浮液进行研究，才观察到显著 的电粘滞效应，表观粘度增大几个数量级，同时结构亦发生变化，形成沿电场 方向排列的纤维状结构。这一研究成果标志着电流变学的诞生，并从此揭开了 电流变液研究的序幕。除液晶为单相电流变液以外挣9 l ，其他各种电流变液均 为固体颗粒分散于某种液体中形成的悬浮液，为一种复杂流体。优良的电流变 液【1 0 1 具有响应时间短、连续可逆、可调节、能耗低、便于控制等特点，因此在 机电一体化控制、传动、阻尼等方面将有良好的应用前景 1 1 , 1 2 】。 电流变液作为一类重要的软物质，其独特的性质无论从科学和技术角度都 具有极大的研究价值，因而吸引了世界各国许多科学家、著名研究机构和企业 的大力参与。尽管电流变效应发现的时间很早，但直到2 0 世纪8 0 年代才在全 世界掀起了研究热潮。而随着无水电流变液的研制成功，其性能指标越来越接 近应用水平。与此同时，由于电流变液具有通过调节电场强度改变表观粘度和 屈服应力这一优良的机电耦合特性，可望设计出质量轻、灵敏度高、响应快、 噪音小和能耗低的电流变器件，尤其特别适合计算机控制的新一代机电产品， 因而在工业部门有广泛的应用前景。一些西方国家的国防及工业部门对此项研 究极为重视，注入数以亿计的资金资助这项研究。美国、日本、英国等国家的 第二拳电流变液研究进展 许多大学都相继建立了电流变学研究组，主要从事电流变材料和电流变效应机 理的研究。丽一魑著名的工业集鼹，翅荧国的福特汽车公司、德国的b a y e r 公 司、日本的t o n e n 等都赣手电流变元器件的开发研究，企图占领未来巨大的电 流变元器件市场。 2 2 电流变效应机理 有关电流变效应机理方面的研究，融有许多较为成功的理论模型，但尚无 糟确而蛰适的物理模型。电流变液的特蚀和机理研究主要涉及：颗粒的分布、 凝聚和结构；窀流变液的剪切应力；电场引起的颗粒间相互作用和电流变液的 合成【1 3 1 。只有研究清楚电流变液的机理，才能熨深刻地理解电流变液的宏观特 性，提出合成电流变液的最佳方案，进而开发出更实用的电流交液。困j 比，无 论从实用的角度还是从理论来糟，电流变效应的机理研究都占据极重要的地 位。电流变效应的辊理主要包括以下凡筹申模型：成纾纯模型、双电层模毽、分 电极化模型和等效平板电导模型。 2 2 1 纤绦亿模登 根据显微观察，对于大多数两相电流变液，施加直流或交流电场，均可观 察蘩绎缝凭结构。w i n s l o v 一”最先溪察戮这耱嚣象，并懿麓热懿汤前嚣电流交 液流变学变化归因于这种结构，认为这种结构提供了两电极间必要的机械连 接。撮攒纾维能模登，遨释绎缭纯结稳鹃强度决定了亳流交效艨静强寝，因魏 颗粒问相互作用是这个理论的基础。对电场中颗粒成链的观察表明，在给定时 阉瘫，镰熬长度疆场强耪颗粒浓度戆增热嚣交长，夔电绥频率增燕嚣变籁鄹。q 。 这一结果可以通过考虑颗粒间的极化力米理解。然而，此模型不能解释电流变 效应的翡痤楚阉：奄滚变效应对逛压懿豌痘穗阙在毫秒爨缀陋，露残链时阂 在秒的鬣级 2 0 , 2 1 1 。电流变响应时间太短，在此时间内无法成链，而且剪切场会 酸蓼静态塌下懿成链程发拉2 l 。敷以纾维纯模型较耀糙。 基予颗粒在电场中极化及极化后颗粒在电场中相互作用成桥这一点而建立 的成绥化模型，只魃爨释一部分电淡变瑷象。像无捉离子能攫强逸流变效应等 现象都无法解释。存在以下缺点；1 点偶极近似和配分函数的处理方法过于简 单；2 没骞考虑出漏电、瀛所弓l 越的电黎在颗粒表嚣聚集以及电棼在国波爨瑟上 的迁移：3 只考虑了颗粒间的吸引力而没有考虑颗粒间的静电排斥力。 2 。2 。2 双电层模型 k l a s s 和m a r t i n e k l ：3 , 2 4 1 第一次运用双电层理论来解释电流变液的工作机理， 第二章电流变液研究进展 双电层极化理论认为：分散相颗粒因电离或离予吸附等原因而使其表面带电， 通过静魄力的 乍用，带魄粒子吸附附近瓣异性电荷，使熬液中鲍剩余电精趋向 于紧贴着带电粒子表面排列。与此同时，粒子和剩余电荷由于热运动而趋于均 匀分布，从两阻碍剩余瞧荷紧贼着分散棚粒子裁蘧摊列，形成分数层。因此， 在静电力和热运动的综合作用下，分散相中的带电粒子和其异性电荷达成一致 平衡，形成双电层结构( 如图2 * 1 所示) 。外加电场后，双电层发生变形，相 互问产生静电引力，当势切运动发生时，流体不仅要克自最分子闽的肉蘑擦力， 还要克服双电层的静电引力，因此剪切力大大增加，宏观上表现为流体流变性 能提高，产生毫流交效应。u e j i m a t 2 5 l 在1 0 0 0 h z 交流奄场下发现颓粒表褥的水 膜影响双电层的表面电荷密度，并使电流变液的介电常数升高，进一步证实了 双电垂模型的合理性。h u l 2 6 1 考察了低频电场下电流交液的介毫常数，执理论 上解释了双电层的s t e m 层与扩散层分别对电流变液介电常数的影响，与实验 符合较好。d e i n e g a e 2 7 j 辩双电层模墼骰了迸一多的发震，考虑了电荷在双电层 扩展区的传递。自由电荷未在颗粒表面传递之前，颗粒的电导增强能导致极化 箨瘸增强，一量毫芬在糇粒润发生了转移，宅滚交效瘟藏会逶逮减弱。 摄键毫蔫 中性扩散 龟蒋云 双电层 图2 l 双电层模型 该壤途毙袋臻解释魄滚变效痤对鬯场强度、颗粒俸糇含量、温度帮毫场菝 率的依赖性，以及在高电场强度下的饱和现象，得到了电流变液非欧姆导电率 和低频会电悬浮液行为的闻接支持，毽建它缺老强有力瓣涯握。恿时也没能软 本质上解释电流变液在电场下，其流变性能能产生明显的改变，特别是产生屈 服应力帮剪切速率斡原鼹。 对此模型的批评者们认为任意的扭矩可以使电流变液的双电层变得很大。 露且没蠢基于_ 鞋：模型的定量他的理论研究，两b l o c k 翻k e l l y i ”1 认为双电层躲 变形是一种极化行为，可以简单地认为是极化横型的种特例。 2 2 。3 颗粒极化模型 b l o c k 和k e l l y t 2 s ，2 9 1 以及f i l i s c o 和a r m s y r o n g t 3 。l 等人相继制备了无水电流变 第二章电流变液研究进展 液，大大提高了电流变液的应用范围，从而使电流变液研究领域重新引起了人 们极大的兴趣。针对这种无水电流变液所具有的电流变效应，人们提出了“介 电极化”机制。即在外加电场的作用下，电流变液中的球形介电颗粒获得感生 偶极矩o ” 卢= 4 x e i p a 3 t ( 2 - 1 ) 其中a 是球形颗粒的半径，声= 兰 ：为介电失配( d i s l o c a t i o n ) 参量， p 2 f 。、s ，分别是分散相颗粒和连续相液体的介电常数，为施加在颗粒上的 局部有效电场强度，若卢 k 。 时，颗粒与液体的复介电错配参数变为 口。堡二! 立( 2 4 ) 。 ( 仃。+ 2 0 r s ) 褪该理论在本质上怒电流交效应静线性模型，所戳螽由电荷的存在，交流 极化机制及与时间有关的现象都无法包禽在这个简化的模型中( ”，4 0 】。此外，此 模型氇不能摇述瞧流交液豹菲欧姆确盛，以及秃法谎疆魄流变效应与温废等因 索的关系t 4 “。 螽予摇述电流交液粒子辍纯静模鍪主要包瑟五耱，帮电子裰托、骧子极记、 偶极子极化、游离极化和界面极化( 又称m a x w e l l - w a g n e r 极化) 。根据遮一模 整，承辩毫流交效应豹产生不楚难一登添懿， 嚣颥粒与液体吴露不茂熬分奄常 数才是唯一的。 2 。2 4 等效平板电导模壅 电流变液在电场作用下呈现的链柱状结构已经使人们认识到颗粒之间的相 戛终照力是影嚷毫滚交波强度熬关键因索。久袋鼠各耱途径对鬏粒之阗豹相互 作用进行研究。一个广泛采用的方法是藏于极化模型，把电流变液中的每一个 粒子羲圣譬一个煮镊极子，粒子阉夔俸弱力正比予瞧场强发戆平方农颞粒与滚钵 的介电失配口平方m 4 3 】。极化模型虽然已院功地预测了一些电流变效应，但是 这模型不l 辫耩实验中毒时溅察到敬饶交强度对电场豹莰赣攒数小于乎方关 系的现象1 4 ”，尤其当粒子十分靠近时，估计的结果太低。研究表明，大约当粒 子闽的距离大到粒子壹径鳃4 绥时，点偶极予：l 臻 蛙才能绘出较好匏缝鬃粉。菇 了提高电流变效应，往往选用体积分数较大的悬浮体系，因此农电流变液中， 粒子之阅常常是相互耢接或链校状结梅，这时露采用点偶极于返似难以褥到令 人满意的结果。在直流缄低频交流电场下，颗粒之间液体的局部电场受颗粒与 液体的呶导率控制。f o u l c t 4 6 1 和f e l i c i t 4 7 l 锥对颗粒的电导攀远大予液体电譬率戆 情形提出了电导模型。他们考虑两个接近接触的半球，把球表两分为两个区域 ( 图2 - 3 ) ，在接触区外，假定球面是等势的，并且流经球蔼的电流是缀小的， 在接触嚣内，液体的电场达到饱和，绝大部分电流从此区域通邋。他们计算了 第二章电流变液研究进展 两个球之间的吸引力，在低电场时吸引力与电场的平方成正比，在高电场时吸 引力与电场近似呈线性关系。但是该方法需要确定一个接触区域，并且假定接 触区外颗粒表面是等势的，而且必须考虑表面之间变化的距离，使这种吸引力 的近似计算变得比较复杂，难以应用于多粒子情形。本文引入了一种简化的半 球吸引力模型一等效平板电导模型 4 8 , 4 9 1 ，把一对半球等效为一对平行板，无需 分出两个区域，发现等效平板厚度随给定物理参数的改变而改变，给出了等效 平板厚度的表达式，并据此分析了长链中颗粒之间的相互作用力1 5 0 , 5 1 1 。 撩 拨n 镢。i 硌= 0 f 我们所研究的电流变流体是介电常数为占。，电导率为盯。的固体颗粒分散 于介电常数为占，的非极性液体中，颗粒具有较高的电导率，分散液体( 例如 常用的硅油) 的电导率随局部电场呈非线性关系。给电流变液施加直流电场， 对于非极性液体，f e l i c i t 4 7 1 给出了o n s a g e r 理论的简化表达式： _ f f l 一 盯，( e ) = 盯，( 0 ) m a ) + a e 4 e e c 】( 2 5 ) 其中，e 是局部电场强度，爿，e 是依赖于液体的常数，o r ：( 0 ) 是零电场 时液体的电导率。 v = 0 图2 - 4 等效平板模型 8 - 第二章电流变液研究进展 对于图2 - 4 所示的两无限大平行平板，平檄厚度为r ，介电常数为f 。，电 导率为拶。，平板之间充满非极 生液体，其贪电常数为s ，电导率依赖于局部 电场，由( 2 5 ) 式确定。施加电场毛詹，平板内部的电场强度为e 。，平板之 间液体的电场强度为e ，电极之间的电势差为： v = e o d = 2 耳，十占r ( d - 2 r ) ( 2 6 ) 式中，d 是两个平板外边界之间的距离，根据两种介质界厩处电流密度 的连续条件， ，= p e p = ，e ， ( 2 7 ) 将式( 2 - 5 ) 式代入( 2 7 ) 残并考虑式( 2 6 ) ，可以得蓟平板之间液体的 局部电场e ，由下式给出， 型塑型燮避 塑坐丝幽吲釉一竽：o ( 2 8 ) 其中，r = 盯。仃，( 0 ) 是颗粒电导率与零电场时液体的电导率之比。 口= d r 逶平叛静边赛之润豹距离和板簿度之鲍。 电流变液的颗粒通常可以近似看作球形，颗粒之间的电场强度随位溉而变 纯。对于强2 - 3 掰示弱两令半球，t a n g l s 2 l 将半球表瑟分成许多个裰互平行酶微 小台阶，半球表面每一微面积对之间的电场强度可以由式( 2 。8 ) 求出，从而 爵戳求滋每一徽覆积怼之淹熬裁弓| 力， a f = 0 5 e ，e 【晶，e c ，a ，f ，搿( x ) 】2 n x 凼 ( 2 - 9 ) 郡么嚣令半球之闻瓣啜雩| 力载等于掰寿徽甏狡对之鬻懿啜萼| 力之黎，鼙 f = a f = 嘶霹隰，e c ，a ，f ，口( x ) 弦d x ( 2 一l o ) 其中，口0 ) = d ，d 2 一x 2 。 若将半球看作有一定厚度的圆柱状平板，底面半径为4 ，则可以得到一个 麓单的计算半球之闻弓l 力的等效模型。设嚣乎纷乎板的厚度为名，若能求出 ，则令口。= d r 。q ，类似于式( 2 - 8 ) 可以得到等效平扳之间的电场强度 髟l e o ，最，a ，f ，搿。( 瑚， 坚塑型燮鬯譬塑咝照幽州粤呐一华：o ( 2 1 1 ) 一9 - 第二章电流变液研究进展 于是，两半球之间的吸引力为， f = 1 - m a 2 0 巧( 岛，e c ，a ，f ，口q ) ( 2 1 2 ) 式中，口为球的半径。 令式( 2 1 0 ) 与( 2 1 2 ) 相等即得： 专翮2 s ，e ；( e 0 ，e 。，4 ，r ，a 。) = f 昭，e ；【e 0 ，e 。，4 ，f ，瑾( 瑚x - d x ( 2 - 1 3 ) 由式( 2 - 1 3 ) 可解出不同给定参数下的等效平板厚度，通过对 a = 0 0 0 1 o 1 ，f = 1 0 2 1 0 7 以及e n e ，= 9 5 5 7 范围内变化数据进行的分析 及回归处理，发现1 一( a ) 2 和f ，a ，e o e c 都呈对数线性关系，进而量 化等效平板厚度r , q 可以用下式表示： = 口1 一 0 4 6 2 + o 0 3 1 l g a o 0 4 2 1 9 f + 0 2 8 5 l g ( e o 岛) 2 ( 2 1 4 ) 其中，f = 盯。o i ( 0 ) 是零电场时颗粒和液体油的电导率2 _ l t ，e o 是外加 电场强度，“，e 是依赖于液体的常数。 g o ( , w r n m ) ( b 图2 - 5 等效电场强度e j 与e o 的关系 图2 5 是在两球接近接触时，即d a “2 0 时，等效平板之间的局部电场 e ，和外加电场战的关系。图2 5 ( a ) 对应于a = 0 0 0 4 ，f 分别等于1 0 2 ，1 0 4 ， 1 0 6 时的情形，图2 5 ( b ) 对应于f = 1 0 6 ，a 分别等于1 0 ，1 0 ，1 0 - 3 时的情 形。图中所示的点是由文献f 5 2 1 半球电导模型计算的结果，曲线是由等效平板电 导模型计算的结果，二者是一致的。从图中可以看出e ，随e n ，r 的增大而增 大，随4 的增大而减小。由于等效厚度k 和平板之间电场强度e ，是一一对应 的，而e ，和吸引力是一一对应的，因此从式( 2 - 1 4 ) 可以直观地看出各参数 蛋晕r爱lj田 第二章电流燮液研究进展 对吸引力的影响。在式( 2 8 ) 中增大饼。则液体局部电场e ，减小。反之减小 掰，则露，增大。增大颗粒之阐的距离，则g 。增大，使液体电场占，减小。由 贰( 2 1 4 ) 可知，增大r ，e 。，减小a 都会弓i 越增大，使口。减小，从而使 点，增大，吸引力增大。昧的影响则是双重作用的结果，式( 2 - 1 1 ) 中增大磊 则e ，增大，但由式( 2 。1 4 ) 可辩，增大e 0 又镄k 减小，扶而又有使嚣，减小 的作用。若假定吸引力与外加电场焉呈指数关系【5 3 5 ”，f * 联，那么用等效 弹度的械念可戳说明蔽弓| 力对夕 加电场磊的指数依赖校度随毛的增大鞭减小 7 1 。由图2 - 4 可知，当两球几乎接触时( 此时电流变波束受剪切) 局部电场强 度与羚船电场遥颧呈线性关系。我稻静结采建议此时蜀都电场露，可戳糟下式 表示； e j = ( - 4 8 4 7 1 9 a + 4 4 1 9 f ) x e o 疋 ( 2 - 1 5 ) 献蕊啜弓l 力为 1 f = 三t r - a 2 f ，( 一4 8 4 。7 1 9 a + 4 4 1 9 r ) 。e o 疋 ( 2 1 6 ) 吸引力与电场强度照线性关系，这与f e l i c i t 4 7 】的结论一致，即在高的外加 密场终蹋下( e o 0 。5 k v m m ) ，蔽弓 力与羚鸯藿瞧场强发逅叛璺线娃关系。与 f e l i c i t 4 7 1 的公式相比，式( 2 - 1 5 ) 还计及了爿的影响。豳于等效平板电导模型 中仅鸯一个模蘩参数，因j 琏：褥戮盔爝予多羧子摆互佟惩豹笺杂系绞审，这 是文献 4 6 、4 7 、5 2 的方法所不能实现的。在通常的电流变液中，不可能仅有 尼令粒予，当然更不会燕两个半球，秀魅粒子之闰黎穗曩篷矍瓷是 壬意熬，与 文献【5 2 】相比，本文的方法使计算电流变液中多粒子相甄作用成为可能。 2 3 电流变液的性能 2 3 1 力学往戆 电流变液的流变性能高低直接影响到流体实际应用的可能性。目前人们对 稳态蘩韬场下毫淡交渡矮菱痞流交牲戆豹交曩二逡霉亍了深入研究，毽对爱瑕蔫及 非稳态翦切场下的流变行为研究较少。 ( 1 ) 势态赘甥场戆携援：在稳态蘩凌场- f ，e r 浚体戆浚交行为撼述为泌煳 f = g y( f 罗。)( 2 1 8 ) 第二章电流变液研究进展 式( 2 1 7 ) 是屈服前的行为，式( 2 1 8 ) 是屈服后的行为。应该指出上式是在外 加电场不为零并且数值上大于某个阈值e 御1 时的流变行为。当外加电场为零 或者电场数值小于这个阀值e ，时，流体并无电流变效应，这时的电流变液基 本上是一种牛顿流体，流动时，其切应力与应变速率成正比。 在外电场作用下，当外加应变y 小于静态屈服应力以时，电流变液是固态 特性，g 为弹性模量。当外加应变y 大于静态屈服应力儿时，电流变液开始 流动，服从式( 2 1 8 ) 的行为。一般情况下，n 值等于1 ( k 和n 为依赖于电场强 度的材料参数) ，此时的k 记为宾汉粘性参数r 。，此时的f 记为宾汉屈服应力 f 。，宾汉流变行为方程为： f = f 口+ 7 7 b 户( 2 - 1 9 ) 事