電流變液智能材料在工程技術(shù)中的應(yīng)用探究

劉子昂

（湖南衡陽縣第一中學(xué)1622 班，湖南 衡陽 410000）

就現(xiàn)階段我國(guó)行業(yè)內(nèi)的發(fā)展形式來看，電流變液是一種新型技術(shù)，在我國(guó)興起的時(shí)間并不長(zhǎng)，在工業(yè)上應(yīng)用之后，被業(yè)內(nèi)人員稱為“半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用之后的又一革命”，其關(guān)鍵在于此項(xiàng)技術(shù)成功應(yīng)用了一種新型的智能材料，并且在實(shí)際運(yùn)行的過程中，達(dá)到了較為理想的效果，這種智能材料是一種被稱為智能材料的液體，電流變成液體之后，在外界強(qiáng)壓電的作用之下，電流變體表現(xiàn)出較為明顯的牛頓體行為，尤其是當(dāng)剪應(yīng)力與剪切速率成正比的時(shí)候，其效果更加明顯。早期所開發(fā)的電流變液體，絕大多數(shù)都含有一定的水分，其主要原因是由于具有高電常數(shù)的小顆粒和有低電常數(shù)的油液的均勻懸浮物狀的液體，通常由兩部分來組成，即分散介質(zhì)和分散相，分散介質(zhì)一般是指具有較低粘度以及導(dǎo)電率的特殊性能流體，分散相是指分散于液體中的粒子，例如沸石以及電陶瓷等等，這些分散相所產(chǎn)生的電流是導(dǎo)致電流變效應(yīng)的關(guān)鍵因素。通常情況下，含水的電流變電體有以下的缺點(diǎn)：第一，當(dāng)溫度升高的時(shí)候，電荷在粒子間的游動(dòng)速度會(huì)加快，從而在一定程度上導(dǎo)致電力消耗速度的加快；第二，當(dāng)溫度升高的時(shí)候，溢出的水會(huì)對(duì)電流變體的設(shè)備造成一定的腐蝕。

1 電流變液的基本作用機(jī)理

現(xiàn)階段，我國(guó)關(guān)于電流變液主要有以下幾種觀點(diǎn)。

1.1 靜電極化模型

在高電壓下的電流變液當(dāng)中的例子，由于極化發(fā)生電荷的分離，正電荷向靠近負(fù)電級(jí)的一端移動(dòng)，負(fù)電荷會(huì)向靠近正極的一端進(jìn)行移動(dòng)，結(jié)果粒子兩端含有正負(fù)極電荷，相鄰的粒子由于經(jīng)典的吸引會(huì)出現(xiàn)互相連接的情況，形成鏈狀結(jié)構(gòu)進(jìn)而粗化成粒子柱。其模型在實(shí)際應(yīng)用的過程中，取得了較為理想的效果。

1.2 “水橋”模型

現(xiàn)階段，我國(guó)行業(yè)內(nèi)的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)新的高度。在外界電廠的作用之下，粒子的兩極化越來越明顯，由于水中電滲透作用越來越明顯，最終自由粒子會(huì)滲透到粒子的兩端，并且相鄰的粒子表面會(huì)形成“水橋”，從而使水分子緊密的連接到一起，這種情況，在宏觀上被稱為凝膠態(tài)[1]。

1.3 滲透理論

滲透理論是指當(dāng)電流在變成固體的時(shí)候，固體粒子之間會(huì)相互吸引，其相互作用力會(huì)對(duì)粒子造成很大的影響，如果粒子之間的距離相對(duì)較短，其作用力會(huì)變的更大，我國(guó)行業(yè)內(nèi)的專家曾經(jīng)估算過，其電流變體的體積變化高達(dá)64%，這可以說是一次驚人的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)作用大范圍小于粒子自身體積的時(shí)候，其表面積的作用力就越大，臨界點(diǎn)的積分率還會(huì)進(jìn)一步的降低。

2 電流變液體的應(yīng)用

在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，尤其是美國(guó)、英國(guó)、日本以及德國(guó)，已經(jīng)開始大力開展電流在電廠感應(yīng)下的固液轉(zhuǎn)變研究，并且都取得了一定的成果，其中，美國(guó)國(guó)家能源部門在1993年就已經(jīng)發(fā)布一項(xiàng)對(duì)于電流變液研究需求進(jìn)行評(píng)估的報(bào)告，在報(bào)告中言到電流變液將使工業(yè)進(jìn)行一次較為全面的改革，是行業(yè)發(fā)展的一次歷史性的轉(zhuǎn)折，同時(shí)也會(huì)使若干相關(guān)部門受到很大的影響，這些部門主要包括：自動(dòng)化設(shè)備工業(yè)、通用以及專業(yè)機(jī)械工業(yè)、油壓機(jī)械部門以及交通工業(yè)相關(guān)部門等等。

根據(jù)電流變液在電場(chǎng)作用下粘度的變化情況來看，主要有三種工作形態(tài)，即剪切模型、流動(dòng)模型以及壓縮模型。剪切模型主要整理的是當(dāng)量平行極板產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)作用力的時(shí)候，會(huì)有剪切阻力；流動(dòng)模型是指當(dāng)兩極板固定不動(dòng)，電流之間的變液體能在極板之間運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生流動(dòng)模型；壓縮模型主要是指當(dāng)兩平行極板由于受到外力的作用開始進(jìn)行相背或者是相向運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，極板之間的間距會(huì)在一定程度上增加或者減小。

一般情況下，其在工業(yè)上的應(yīng)用主要有以下類型：第一，離合器以及制動(dòng)器等?，F(xiàn)階段，這類工業(yè)裝置在我國(guó)應(yīng)用極為廣泛，其工作原理主要是將電流變液放在有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件之間，通過電壓的輸送來完成機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)，這種運(yùn)轉(zhuǎn)模式不僅方便快捷，并且在很大程度上提升了工作的質(zhì)量，應(yīng)用這種方法的離合器與傳統(tǒng)的離合器相比較有較為明顯的優(yōu)勢(shì)，其主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械磨損小并且噪聲相對(duì)較低，在實(shí)際應(yīng)用的過程中，有較為理想的效果，并且其并不具備傳統(tǒng)齒輪的傳動(dòng)系統(tǒng)；第二，減震器以及發(fā)動(dòng)機(jī)支座等。這類裝置在實(shí)際運(yùn)行的過程中，主要的工作原理是使ER 流體在靜止的管道當(dāng)中進(jìn)行流動(dòng)，以此來產(chǎn)生流動(dòng)的模型，通過改變電流以及電壓來改變物體的粘度，這樣的方法在實(shí)際應(yīng)用的過程中，有較為理想的效果，可以有效的控制流體流動(dòng)的速度，現(xiàn)階段，這種方法較為常用，智能化的液壓閥是這類裝置當(dāng)中的典型例子，除此之外，減震器是目前已經(jīng)研發(fā)成功的并且有較好實(shí)驗(yàn)效果的裝置，由于其減震的幅度很大，還具有可調(diào)控范圍的優(yōu)點(diǎn)，在應(yīng)用的過程中效果較為理想，也希望其可以早日全面向市場(chǎng)推廣；第三，ER 虛擬現(xiàn)實(shí)手套。我國(guó)的虛擬環(huán)境系統(tǒng)是一項(xiàng)嶄新的技術(shù)，此項(xiàng)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用的過程中，取得了一定的成果[2]。但是，就我國(guó)此項(xiàng)技術(shù)目前的發(fā)展情況來看，缺少補(bǔ)充的觸覺以及動(dòng)覺等系數(shù)的反饋，此項(xiàng)技術(shù)目前還在研發(fā)當(dāng)中，主要是通過對(duì)于剛度的控制來完成對(duì)于其自身使用效果的控制，目前還不能達(dá)到實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)反饋，這是我國(guó)現(xiàn)階段行業(yè)內(nèi)急需突破的技術(shù)重點(diǎn)之一；第四，ER 材料的具體應(yīng)用。此項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩方面，即低溫流體與火箭燃料的應(yīng)用以及ER 復(fù)合梁的應(yīng)用，這兩種應(yīng)用的發(fā)揮在那時(shí)在各自的領(lǐng)域內(nèi)都有不錯(cuò)的表現(xiàn)。低溫流體與火箭燃料：將高能燃料與鋁粉放在液態(tài)氧中支撐懸浮液，由于這種燃料可通過計(jì)算機(jī)精準(zhǔn)的控制流動(dòng)，與傳統(tǒng)的控制方法相比較不僅提升了效率同時(shí)也提升了質(zhì)量，由于這種控制方法并不需要機(jī)械的傳動(dòng)部分，因此較為適合低溫的應(yīng)用，其另一個(gè)較為明顯的優(yōu)點(diǎn)就是可以充分的利用其材料固態(tài)與液態(tài)變化的可逆性，在運(yùn)輸?shù)倪^程中，使其發(fā)生固化，在燃燒的時(shí)候再變?yōu)橐后w。除此之外，在實(shí)際應(yīng)用的過程中還可以有效的控制燃料的年度。ER 復(fù)合梁：主要運(yùn)行原理是通過對(duì)電壓進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)ER 的粘度，并使其在瞬間改變結(jié)構(gòu)以及其自身的阻力，這樣可以很好的達(dá)到減震的效果。由上述內(nèi)容可以看出，電流變液裝置在實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候體現(xiàn)出了許多傳統(tǒng)裝置所不具備的優(yōu)點(diǎn)，其主要體現(xiàn)在：可以有效的提高計(jì)算機(jī)的精準(zhǔn)控制能力，其響應(yīng)的速度有了很大程度的提升，并且控制范圍較寬，變化也是連續(xù)性的，這些都是傳統(tǒng)技術(shù)所不具備的，因此可以預(yù)料，此項(xiàng)技術(shù)將會(huì)隨著我國(guó)行業(yè)的科技水平不斷進(jìn)步從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于相關(guān)領(lǐng)域的全面覆蓋。

3 新的電流變液體材料的未來發(fā)展方向

對(duì)于現(xiàn)階段我國(guó)的電流變液體材料來說，其技術(shù)還存在著一定的不足，需要相關(guān)技術(shù)人員對(duì)其進(jìn)行完善。人們開始逐漸重視對(duì)單向ER 流體的研制，例如在對(duì)彌散在溶劑中的液晶高分子流體進(jìn)行研究，液晶高分子的剪切速率很快，其流體的粘度也有很大程度的增加，并且由于其是單向運(yùn)動(dòng)，所以并不存在沉淀的問題，也不存在摩擦問題，這與實(shí)際工程中的運(yùn)行情況大致相同。并且經(jīng)過深入的研究之后發(fā)現(xiàn)，純ER 流體的流速相對(duì)較快，流體所產(chǎn)生的應(yīng)力相對(duì)較大，因此將其進(jìn)行技術(shù)上的結(jié)合有較為理想的效果，這也是此項(xiàng)技術(shù)未來重點(diǎn)發(fā)展的方向之一。在電磁場(chǎng)的作用之下，把粒子放入到懸浮液當(dāng)中，或者將分別裝有電流變液體的粒子放入懸浮液當(dāng)中，然后對(duì)其作用的效果進(jìn)行分別比較，最終結(jié)果發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)比磁場(chǎng)作用流體的效果要更加明顯。因此，可以確定研究和開發(fā)電磁流變液體這一新型材料對(duì)于行業(yè)的發(fā)展具有較為深遠(yuǎn)的影響。

4 結(jié)語

本文對(duì)電流變液智能材料在工程技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)行了探究，并且對(duì)未來的發(fā)展形式進(jìn)行展望，希望對(duì)于我國(guó)行業(yè)內(nèi)的技術(shù)研究以及發(fā)展起到一定的輔助作用。

鐘表所產(chǎn)品應(yīng)用于我國(guó)第一艘國(guó)產(chǎn)航母并圓滿完成出航試驗(yàn)——中船重工707 所向鐘表所發(fā)來表揚(yáng)信

我國(guó)第一艘國(guó)產(chǎn)航母于5月13日清晨離開碼頭，開始海試。經(jīng)過5 天的連續(xù)奮戰(zhàn)，完成了首次海上試驗(yàn)任務(wù)。

2018年5月23日，中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇七研究所向西安輕工業(yè)鐘表研究所有限公司發(fā)來表揚(yáng)信，對(duì)鐘表所GJSM-ⅠB 型高精度石英母子鐘圓滿完成國(guó)產(chǎn)航母出航試驗(yàn)保障任務(wù)表示感謝。信中說，整個(gè)試驗(yàn)任務(wù)艱巨、進(jìn)度緊張、組織協(xié)調(diào)難度大，感謝貴單位對(duì)鐘表所抓總工作的緊密配合和大力支持！面對(duì)重重困難和嚴(yán)峻形勢(shì)，貴單位嚴(yán)格貫徹海軍等上級(jí)指指示精神，派出了精兵強(qiáng)將參與保障試驗(yàn)。為我國(guó)國(guó)防建設(shè)貢獻(xiàn)力量自豪，鐘表所將一如既往地秉承“精準(zhǔn)、創(chuàng)新、和諧、共贏”的企業(yè)價(jià)值觀，為在相關(guān)領(lǐng)域做出更大成績(jī)而努力。