智能材料 教学课件 作者 陈英杰 4第四章.ppt

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1、智能材料第4章电磁流变体4.1电流变体研究概况电流变效应是指某些复杂液体在一定强度的电场作用下，在毫秒量级的时间内其流变性能发生急剧且可逆变化的效应。电流变液因其特殊的性能而具有广阔的应用前景，可以用来制造减震器、离合器、液压阀、激励器等器件及系统。工程应用要求理想的电流变液材料应具备下述性能：较低电场下具有较大的剪切强度；零场时黏度尽可能小；使用温度；电流密度低；抗沉降性好；无污染。4.1.1电流变液相变机理研究进展早在1896年，美国的Duff发现蓖麻油对电场比较敏感，在电场作用下其黏度有明显变化。1935年，Bjornstahl研究了液

2、晶在高温条件下(大于1600C)对电压的依赖性。他的结论是，对各向同性液体来说，施加电场，流体的黏度降低；而各向异性的液晶在电场的作用下，当电场强度小于100V/cm时，黏度呈增长的趋势，当电场大于100V/cm时，黏度趋饱和，不再随场强的增加而增加。Alcock在同一时期对某些极性和非极性流体进行研究的时候发观，极性流体的黏度在电场作用下有变化，而非极性流体的黏度不受电场作用的影响。在这以后从1935年到1946年期间的一系列研究结果表明，对于含有杂质离子或具有永久偶极的导电性流体来说，在电场作用下它们均发生电致变黏现象。1947年，美国的

3、Winslow在他的专利中第一次报导了电流变效应这一现象。Winslow进行了系统的实验和理论研究，他在1949年发表的有关Johnsen-Rahbecle效应的研究结果标志着电流变学的诞生。4.1.1电流变液相变机理研究进展电流变体是由尺寸在微米级的固体颗粒分散在介电液体中形成的悬浮体系，在外加电场的作用下，它们的黏性、塑性、弹性等流变性能会发生显著的可逆变化。4.1.1电流变液相变机理研究进展1．介电极化在电场作用下，颗粒因介电极化产生偶极子，当它们沿电场方向排列时相互吸引，当垂直与电场方向时相互排斥，因而形成沿电场方向的链状结构，随着电

4、场强度及颗粒浓度的增加，单链相互聚集进而形成柱状结构。2．双电层双电层由两部分组成：(a)紧密吸附在微粒表面的单层离子；(b)延伸到液体中的扩散层。Klass和Martinek认为在电场作用下双电层诱导极化导致电荷不平衡分布，双电层发生形变，变形双电层间静电相互作用使流体发生剪切流动且使耗散的能量增加，因而强度增加。4.1.1电流变液相变机理研究进展3．水桥Stangroom提出了电流变效应的水桥机理，他认为体系具有电流变效应的基本条件为：(1)分散介质为憎水性液体；(2)分散相为亲水性且多孔的微粒：(3)分散相必须含有吸附水且含量显著影响电

5、流变液的性能。4．电泳悬浮液中的颗粒带有静电荷就会向着带有异号电荷的电极移动，即发生电泳现象。4.1.1电流变液相变机理研究进展建立电流变液微观模型的主要目的在于建立材料的组合、微结构等参数同其宏观性能之间的定量关系。基于粒子极化模型，目前应用最广泛的方法是利用分子动力学仿真及布朗动力学仿真技术，利用计算机模拟预报在外场作用下，电流变液微结构的转变过程及其宏观性能。当外加载荷满足小雷诺数的流动条件下单个粒子的运动由如下牛顿方程式给出。式中——粒子的速度矢量；——液体作用于粒子上的水动力：——静电力等除水动力以外的所有力。4.1.1电流变液相变

6、机理研究进展为了简化计算，人们通常不计水动力及粒子惯性力的影响，在这种假设条件下，运动方程简化为：Gast及Zukoski和Jordan及Shaw考虑到粒子布朗运动效应，推广了诺贝尔物理奖得主deGenes及Pincus关于铁电流体模型，研究丁稀疏粒子分布情况下链的成形过程，在强电场的作用下，链的长度近似由下式确定：4.1.1电流变液相变机理研究进展Tao等人及Jaggi等人发现，当外加电场强度超过某—临界值时，粒子形成连续的固体网络。将球形粒子当成点分布的偶极子的情况下，预报的临界电场强度如下：4.1.2电流变液本构方程的研究进展液体动力与

7、静电极化力相互作用的比值定义为Mason数液体动力与热力的比值定义为Peclet数，即静电极化力同热力的比值用参数表示4.1.2电流变液本构方程的研究进展1．Bingham液体本构方程一些研究者采用Bingham本构模型描述电流变体的流变特性，即2．电流变体流变性能的研究进展4.2电流变液的性能研究4.2.1电流变效应4.2.2电流变材料绝大多数电流变液都是由三部分组成：可极化的固体颗粒为分散质，绝缘油作为分散剂，另外含有少量电流变活化剂。电流变液主要分为两大类：“含水”型电流变液（hydrousERfluids）及“无水”型电流变液（anh

8、ydrousERfluids）。4.2.3电流变液屈服应力形成机制到目前为止，大致上有三种模型用来解释电流变效应的物理机制，他们是双电层（doubleelectri