奇异的电磁流变液体

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1、奇异的电磁流变液体王振东 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（Terminator2:JudgmentDay）”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，

2、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（MagnetorheologicalFluids，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

3、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。  磁流变实验器示意图 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

4、 美国科学家WinslowW.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

5、应用的奇异性能。 这些可被利用的主要特性是：（1）           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）           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）           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）           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。因此运用微型计算机进行自动控制有广阔的前途。 由以上奇异的特性，人们将E

6、RF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

7、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 电流变机理示意图左为无外加电场时，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