博文
奇异的电磁流变液体
精选
|||
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（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
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） 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
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（磁感线）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。
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。
1、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。
同轴圆筒型和平行板型的离合器
2、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，微型计算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。
电流变减振器示意图滑动平扳型减振器，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。
3、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。
电流变通路“阀”示意图
4、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。
参考文献
1.王振东、武际可，力学诗趣［M］，天津：南开大学出版社，1998
2.Klingenberg D.J，鲁兰译，用磁铁将液体制成固体［J］，科学，1994（2）： 75—76
3.Halsey T.C,Martin J.E,董淳译，电流变液体［J］，科学，1994（2）：29—33
4.郝田、陈一泓，电流变学研究进展［J］，力学进展，1994，24（3）：315—335
（原刊登于《力学与实践》1998年20卷6期）
https://blog.sciencenet.cn/blog-205890-216831.html
上一篇：非牛顿流体及其奇妙特性
下一篇：卡门涡街及其应用
