| 单词 | 电流变流体 |
| 释义 | 【电流变流体】 拼译：electrorheological fluids 在外加电场作用下，流变特性发生显著、迅速且能可逆变化的一种介质。 1896年，达夫(A．W．Duff)发现在电场作用下蓖麻油和石蜡油粘度变化的现象。1946年安德雷德(E．N．da C．Andrade)发表《液体对电场的粘度效应》。这些研究主要涉及电场作用下单相液体的粘度变化，而且这种变化幅度很小，其作用机理被解释为电场作用下，由液体中离子在电极附近的聚集而导致极性分子聚集，结果使局部粘度增大。1939年美国温斯洛(W．M．Winslow)发现，电场作用下有数种悬浮于低粘度油液中的微粒趋于形成纤维素，并沿电场方向跨越两种极板。1949年，论文发表了，掀起了对多相电流变流体的研究。1970年，英国谢菲尔德大学以布洛(W．A．Bullough)为首的研究小组开始发表他们的研究报告。1983年斯坦哥诺姆(J．E．Stangroom)认为水是这种流体的引发剂，从而提出了“水桥”的机理。80年代开始，这种流体的工作再度兴盛。1987年在美国马萨诸塞州举行首届国际性电流变流体学术讨论会。1989年又在美国的北卡罗来纳州举行了第2次国际性电流变体学术会议。接着1990年又在美国的新墨西哥州举行了与流变学年会相结合的电流变学术会议。通过国际性的学术交流，有关这种流体的术语也趋于统一。即从电粘带效应、温斯诺效应趋于电流变效应；从电粘滞流体、电流体、功能流体、依赖电场流体、趋于电流变流体。同时，对于电流变流体作用机理有了初步的认识。一致认为，电流变效应与分散介质和分散质的介电常数上的错配密切相关。电场作用下，介电常数的错配使微粒表面电场发生集中，导致微粒在静电引力作用下沿电场方向成链，并形成纤维状结构。在电场和剪切力同时存在时，流变特性是微粒间极化相互作用和流体动力分别作用的结果。另外，为了克服含水型电流变流体的诸多缺点，对无水型电流变流体的研究十分活跃。在流体作用机理方面，英国利物浦大学的布洛克(H．Block)等人研究了交变电场中转介电体的极化机理。针对单轴稳态旋转和随机旋转的球状微粒，解释了交变电场和剪切力同时作用下微粒的谐振现象，并于1984年发表了研究论文。1990年，在详细分析无水型电流变流体的电变特性和介电特性的基础上指出：界面极化是导致电流变流作用的机理。给微粒两端提供过剩电荷的载体通道，包括微粒本身的传导和载体在其表面的迁移，或束缚在双电层中的电荷随着反号电荷在液体中的反向运动，从而极化速度最佳。一旦发生便导致强极化，使微粒受库仑力的作用在静止时形成纤维状结构，在剪切力作用下微粒携手共进。外电场和剪切力同时作用时，微粒在流场中转动，破坏纤维状结构，使长轴指向剪切力方向。微观上的结构重建和宏观上的剪应力变化主要取决于极化方向、极化大小和以微粒为参照系时对交变场交换响应的快慢程度。这样，微粉的极化度以及极化速度对电流效应而言十分重要。1990年，美国斯坦福大学的阿德里亚尼(P．M．Adriani)和加斯特(A．P．Gast)从胶体化学方面研究了电流变流体在外加电场作用下的成链机理。利用光学显微镜和数学成像分析仪分析了链长的分布并指出：微粒表面电荷足以阻止场致聚集，高于阈值电场时，链的形成受到弥散的限制。1991年，美国北卡罗来纳州立大学的陈(Y．Chen)、斯普雷彻(A．F．Sprecher)和康拉德(H．Conrad)发表有关电流交流体中微粒间静电作用一文。主要研究了电流变流体中微粒表面电场分布和两微粒间库仑化作用力——中心距与微粒相对介电常数间的关系。数学模拟表明，两微粒即将接触时，局部电场强度集中，比外电场强度高一数量级，从而得出依此数学模型计算的微粒间的作用力要比利用经典的点偶极近似方法所预测结果高一数量级的结论。实验结果证明了模型的正确性，从侧面解释了1990年英国曼彻斯特大学惠特尔(M．Whittle)利用偶极——偶极相互作用模型所得的结果与实验结果的最大值相差一数量级的原因。在应力传递机理研究方面，美国斯坦福大学的阿德里尼(P．M．Adriani)和加斯特(A．P．Gast)在1988年利用胶体化学知识，将微粒处理为刚性体，将电流变流体处理为由这些偶极矩定向排列的刚性球体组成的浓缩悬胶液。模拟表明，高频抗剪弹性模量和动力粘度都是微粒容积比和偶极强度的函数。1989年，美国伊利诺斯大学的马歇尔(L．Marshall)等人的研究中，引入了能够反映趋于分裂微观结构的粘性力与和产生这种结构息息相关的极化作用力的比值——梅森数使相对粘度仅仅取决于微粒的容积比和梅森数。同年，美国斯坦福大学的加斯特(A．P．Gast)和伊利诺斯大学的朱科斯基(C．F．Zukoski)联合综述了20世纪30年代以来在电流变流体研究方面的进展和存在的问题。1990年，美国伊利诺斯大学的金柏格(D．J．Kingenberg)和朱科斯基(C．F．Zukoski)发表了《电流变流体在稳态剪切作用下的特性》一文，由于宾汉塑性体模型不能描述这种流体的微观结构对有限剪切率的抵抗性，也不能预测该体系的动态响态，所以在引入“流体区”与“固体区”共存和剪切力作用下“固体区”的退化参数后，建立了反映稳态剪切特性的连续模型。从而显示了随着电场强度和剪切率的变化，区域边界随梅森数而变的实验现象。1991年金柏格(D．F．Klingenberg)等人研究了电流变流体的应力传递机理，以评估粘性力和极化作用力在应力传递中的重要性。在保持动态屈服应力和零电场、高剪切率下粘性力不变的前提下，引入粘性力和极化作用力之间的偶合应力一附加应力，修改了宾汉塑性体模型。对于适合梅森数、极化作用力与粘性力之间的叠加效应达到最大值。同年，金柏格等人指出：流变特性对分散质和分散介质的介电性十分敏感电流变流体的这种特性主要取决于体和界面等的极化机制，也取决于介电“常数”。欲大大提高动态屈服应力，分散质电常数应尽可能大，而分散介质的介电常数应尽可能小。同时，分散质微粒表面必须有足以防止短路的添加剂。1992年，美国加利福利亚技术学院的伯奈卡兹(R．T．Bonnecaze)和布雷迪(J．F．Brady)在以往工作的基础上建立了电流变流体的动力学模型。其中用到了“斯托克司动力学”类分子动力学方法，在于精确地包容在粘性力和极化作用力同时存在时，稀、浓缩电流变流体中微粒间的静电作用和动力作用。用“斯托克司动力学”描述微粒间的动力作用与流变特性；而从胶体中微粒间静电相互作用力守恒入手，用胶体的静电能描述静电作用。当梅森数在某一范围变化时，就可以直接通过计算机模拟将动力特性与流体体现的宏观流变特性相联系，生动形象地揭示微观结构的三种变化过程：链间、链内和网络重整。1992年，他们又研究了电流变流体的屈服应力与静电能之间关系。利用动态模拟，从事动态屈服应力的理论和实验研究，为进一步了解电流变流体的潜在机理和现象提供了工具。值得一提的是，前苏联以科罗布诺(E．V．Korobro)为首的研究小组、美国密歇根大学以菲利斯科(F．E．Filisko)为首的研究小组也研究了电流变流体的流变特性。在无水型多相电流变流体的研究方面，1992年美国特拉华大学的杨(I-Kuan Yang)和夏因(A．D．Shine)联合发表了有关单相电流变流体的研究成果。在电场作用下，PHIC向列型液晶，体现出突出的流变效应。其作用机理不同于多相电流变流体。电场作用下，PHIC的永久偶极矩沿棒状分子的长轴走向，永久偶极矩在电场中的转向引起了棒状分子长轴超于电场方向排列，使剪切粘度增大。同时，分子结构所提供的设计柔顺性对将分子偶极矩设置于沿分子主链，将非极性流体中的溶解性设置于分子侧链的设计更具有吸引力。总之，在电流变流体本身研究方面经历了从单相到多相，现在又研究单相电流变流体的过程。同时也经历了从温斯洛(W．M．Winslow)的含水型到菲利斯科(F．E．Filisko)、布洛克(H．Block)和凯利(J．P．Kelley)等的无水型电流变流体的发展过程。由于这种流体涉及的知识面广，导致了人们对这种流体作用机理和应力传递机理的广泛研究。到目前为止，这些研究都仅仅停留于微粒之间物理相互作用的水平上，而对主导这种相互作用因素的研究仍未受到广泛重视。如强电场作用及离子电荷载体对微粒极化特性的影响；迁移电荷载体、表面电荷和离子强度的影响；双电层以及扩散双电离子中离子体密度对微粒相互作用的影响；表面迁移和吸附强度对添加剂作用的重要性；浓缩电流变流体中重叠双电层以及小粒距对微粒相互作用的影响；微粒表面结构粗糙度、尺寸大小和形状的影响以及温度和交流电场的影响等。这也很可能成为今后电流体研究人员的研究目标。同时也不否认，电流变流体向单相化和局域化发展的可能性。故仍需对该流体进行深入的研究。【参考文献】：1 Winslow W M. J Appl Phy Vol,1949,20:1137～11402 Klass K, Martinek T W. J Appl Phy, 1967,38(1):67～803 Marshall L, Zukoski. F. J Chen Soc,1989,185(9): 2785～ 27954 Alice P,Gast, Zukosk F.Science, 1989,30:153～2025 Treasure U Y, Fillsko F E, Radzilowskl L H. J Rheol, 1991,35(6):1051 ～10686 Klingenberg DJ, Zukosi C F. JChem Soc,1991,87(3):425 ～4307 Bonnecaze R T, Brady J F. J Chem Phys, 1992, 96(3) : 2183～22028 I-Kuan Yan,Shine A D.J Rheol,1992,36(6) : 1079～1104(华中理工大学吕崇耀博士、钱祥生教授撰) |
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