王振东:奇异的电磁流变液体

选择字号:   本文共阅读 5160 次 更新时间:2006-12-12 22:02:38

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王振东 (进入专栏)  

  

  在常温常压下,物质可分为固体、液体和气体三种状态,也称为三个相。如水蒸气、水和冰,就是三个相。任何人都容易使用一台冰箱和一个低浅容器,将水(液体)冻成冰(固体),然后又可再取出冰(固体)来加热,使其化成水(液体)。但是,你能在几秒钟或更短的时间内,将液体固化,然后又将其液化吗?

  “T—1000型终结者”,是在电影“终结者之二:世界末日(Terminator 2:Judgment Day)”里出现的科学幻想机器人。它几乎是不可摧毁的,能够毫不费力地使液态和固态相互转换。它的液态金属皮肤,如果被子弹射穿,就能马上使弹孔融合;如果被打成碎片,也能马上熔化,并再凝结恢复为原样。这样的科学幻想能实现吗?电流变或磁流变液体,正好为影片制作者的这一科学幻想,提供了实现的可能。

  本文将介绍能实现这种科学幻想的智能性材料—电流变液体和磁流变液体。它们是一种在电场或磁场里,可发生状态变化的物质。根据其所受场强的不同,它们可像水一样流动,也可像蜂蜜那样黏稠,还可以像骨胶一样固化。而这种物质,从一种状态转变为另一种状态,所需时间又很短。

  

  磁流变制动器的小实验

  

  简单的磁流变制动器的示意图如下图所示。实验用的磁流变液体(Magnetorheological Fluids,以下简称MRF)由铁屑和玉米油组成。用放大镜能鉴别出铁屑的单个颗粒,但其长度应全部小于0.5毫米。MRF由按重量计的25份玉米油对100份铁屑揽拌混合而成。杆

  

  磁流变实验器示意图

  

  由不可能被磁化的材料做成,如塑料或铝。为更好地观察实验结果,可用一塑料盘与位于MRF中的杆端相连接。杆与透明塑料容器间放橡皮环,以使液体不泄漏。电磁铁可用几伏特的电源供电,也可用强有力的永久磁铁来的取代电磁铁。

  在未施加磁场之前,杆的旋转几乎没有阻力;当磁场加上时,液体马上就固化了,杆己很难转动;但一旦去除磁场,容器内的MRF材料又立即液化,杆又可自由旋转了。这就是花钱虽不多,却能在几秒钟之内将液体固化,然后又将其液化的磁流变制动器的小实验。

  

  电流变液体及其性能

  

  美国科学家Winslow W.M.在1947年,以专利形式公布了他以8年时间研究发现的电流变液体(Electrorheological Fluids,以下简称ERF)。他将一些半导体型的固体颗粒,分散在低黏、绝缘性良好的油中,再添加一些分散剂,制得悬浮体。当加上一定的电场场强时,很薄一层ERF的表观黏度,就能增大几个数量级,甚至出现明显的固化现象。当去掉电场后,液体的表观黏度又迅速恢复原样。后来,人们将这种可逆的黏度突变效应,称为电流变效应,或Winslow效应。

  但对ERF引起重视,却是20世纪80年代之后的事。这主要是人们逐渐看到了ERF,有许多可供发展的技术和工程应用的奇异性能。这些可被利用的主要特性是:

  (1)在电场作用下,液体的表观黏度或剪切应力能有明显的突变,可在毫秒瞬间产生相当于液态属性到固态属性间的变化。

  (2)这种变化是可逆的,即一旦去除电场,可恢复到原来的液态。

  (3)这种变化是连续和无级的,即在液-固、固-液的变化过程中,表观黏度或剪切应力是无级连续变化的。

  (4)这种变化是可控制的,并且控制变化的方法简单,只需加一个电场;所需的控制能耗也很低。因此运用微机进行自动控制有广阔的前途。

  由以上奇异的特性,人们将ERF称为“智能性材料”,也有人称它为“聪明流体”。

  今天的电流变液体,己不再是20世纪40年代时那种较简单的混合体。除了介电常数和黏度较低的基液、和极化特性很高的固体微粒两种关键成分之外,往往还含有活化剂和分散剂。分散剂的作用,是防止微粒在无电场时相互粘合。活化剂的作用机制还不完全清楚。活化剂(往往使用水,有时用酒精)里含有杂质,通常是溶解盐。一般认为,水受油质悬浮液排斥,而聚集在微粒表面,而溶解盐在电场作用下被极化,其电荷增强了微粒的固有极化。

  电流变液体是有复杂性质的悬浮体系,是一种典型而又复杂的非牛顿流体。

  1987年以前,ERF研究只在美、英和前苏联等少数国家保密速行,目前世界上己有美、英、日、德、法、俄和我国等十多个国家在进行研究。对电流变现象的机理,也己了解得越来越清楚,在ERF材料的选择上也有长足的进展。对ERF的工程应用,己提出许多诱人的设想。

  

  电流变现象的机理

  

  电流变现象之所以引起科学家们的极大兴趣,不仅仅因为ERF这种材料具有实用的物理性能,而且还因其有错综复杂的结构。当流体自由流动时,ERF中微粒的运动相互之间没有关系;当液体在电场作用下变成固态时,微粒连结成肉眼可见的细链和粗柱状

  

  左为无外加电场时,右为有外加电场时

  

  微粒在电场的作用下,不论其运动方向如何,其两极或上或下始终指向电极,从而使微粒吸合在一起,首尾相连,排列成行,构成长链。这种情况,就好像铁屑在磁场作用下沿磁力线的排列一样。电流变液体内的微粒链迅速形成,并在容器内从一端延伸至另一端,这就是流体迅速固化的关键因素。

  实验中发现,柱状体的形成要比预期的快,这与微粒的布朗运动有关。布朗运动是1827年由苏格兰植物学家R.布朗首先发现的液体内悬浮微粒不停顿的随机运动,其成因是微粒和大量液体分子之间的碰撞。在ERF中,悬浮微粒在受到液体分子从各方面的冲撞时,就围绕其在链中的平均位置作不规则运动。因此,尽管微粒链总的来说可能是直线,但在某一时刻,却因布朗运动的影响而发生弯曲。这种轻微变形,却又增强了各链之间的互相吸引力,并促使各链聚集成柱状体。

  ERF在电场作用下固化后可承受机械力。像其他固体材料那样,其发生破坏的应力大小称为屈服应力。此时微粒链断裂,材料开始流动。为了某种工程应用,希望屈服应力尽可能大些。但在研究过程中,人们还不满意现有的ERF,因为它的屈服应力不够高。近几年己开始研究屈服应力更高的磁流变液体(MRF)。流变学是研究材料流动与变形的学科,深入地研究这些问题,正是流变学的研究范围。

  

  令人振奋的应用前景

  

  电或磁流变液体的应用前景,是十分令人振奋的。己见到申请专利的元器件,有离合器、液压阀、减振器等等。下面将就其原理作一简单的介绍。

  

  电流变离合器

  

  将电流变液体充于两个圆筒或平板之间。当ERF形成固态时,就迫使传动轴转动;而当它变成液态时,就使发动机脱离传动轴,而自由旋转,好像处于空档一样。两个筒或板之间的转速比,也可以调节。这样的离合器几乎不存在零件磨损,或损坏的问题。而且这样的离合器结构简单,噪音低,反应时间仅为千分之几秒,使纯机械的离合器望尘莫及。

  

  电流变减振器

  

  同心圆筒固定电极阀式减振器,在同心圆筒间充满有ERF,来源于电流变效应的阻力,阻止了流体在同心圆筒间的流动。当活塞(内圆筒)运动时,微机可以立即调节电极电压,以改变ERF的黏稠度。如用在汽车上,毫秒级时间的迅速反应,有可能在活塞运动冲程的中途,就提高了流体的黏稠度,以减缓因道路不平而造成的颠簸。随后,流体又可变稀,再迅速复原。因此一种减振器,就可适合各种车辆和工作环境。

  滑动平扳型减振器,是在两滑动板间充满ERF。来源于两滑动板间流体电流变效应的阻力,产生剪切力,并由此引起压力增大。

  

  电流变液压阀

  

  将电流变液体注入一狭缝容器中,通过电场控制REF的黏稠度,以起到节流阀和开关的作用。当ERF固化时,就使流动完全停止,从而关闭了流经细管段的液流。这种电流变液压通路“阀”,也可以设计成同轴圆筒型或平板型。还可将几个ERF通路,按一定的方式组合在一起,做成特殊用途的装置。液压系统有希望采用ERF通路“阀”,而成为新的液压系统,它比传统的液压系统反应还要迅速。

  

  机器人的活动关节

  

  在机器人领域中,可用ERF制造出体积小、反应快、动作灵活、直接用微机控制的活动关节。如今,简易的机器人己在从事工业中的许多工作。如果有非常灵巧的电流变活动关节,就可以完成能迅速做出反应的更复杂的事,比如说接棒球、绕精细金属丝等。“T—1000型终结者”那样的科幻机器人,将会更早的出现。

  目前己有人提出,寻找一种既具有电流变效应,又具有磁流变效应的微粒,制造电磁流变液体(EMRF)。这种粒子和悬浮液,不仅可以受电场的作用,产生电流变效应;而且还可以受磁场的作用,产生磁流变效应。电流变液体、磁流变液体、电磁流变液体的研究和技术正刚刚开始,还没有进入成熟的阶段,从基础理论到应用技术,都还有许多问题有待研究解决。但可以预期:电磁流变液体这一高新技术,必将促使新一代的机电一体化器件出现,并会在汽车、机械、航空、航天、石油、化工和其他工业部门,得到广泛应用。

  

  (原刊登于《力学与实践》1998年20卷6期,作者授权天益发布)

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