吴 昶，牛 蕊

（黑龙江工程学院理学院，黑龙江 哈尔滨 150050）

0 引 言

电流变液是一种极具发展潜力的新型材料。该材料能够在外加电场的变化作用下具备实时响应的特性。

1 针对于电流变液的研究价值和发展方向分析

1.1 电流变液的研究意义

何为电流变液？顾名思义，电流变液是一类液体的总体概念，它是由不导电的母液和均匀散射的电介质微粒构成。对于电流变液产生的效应原理，可以对其施加一定强度的电场力，之后液体的性质会产生较大的变化，主要体现在粘度上，而且施加的电场力强度随之增强，液体的粘性则明显增大。但是，在整个粘度性质的变化阶段，会出现固化现象，即电场力的强度达到某一临界值，就会进入固化阶段。整个固化阶段发生的很快，如一瞬即可完成。依据研究数据显示，固化过程在1‰秒。此外，电流变液的该性质具有可逆性，一旦撤去施加的电场强度，将会恢复为原来的状态。

在电场力作用下产生的电流变液效应体现的现象被称为电流变效应[1]。基于电流变液的电流变效应特性，使电流变液在工业以及其他领域具有广泛的研究价值。但是在电流变液首次获得专利研究至今以来，尚未得到显著性的发现。因为在电流变液的研究阶段会面临一些严重的技术问题，因此限制了电流变液和电流变效应的发展。例如，在研究阶段需要控制电流变液的弥散性，所以在刚开始研究电流变液配方时具有水分，会导致运行温度范围过窄，产生的局部电流还未稳定便会消失。但是随着科学技术的不断发展，在最新一届的国际电流变液磁流变液大会上，已经取得重大突破。

1.2 电流变液的发展方向

由于电流变液在近代以来取得重大突破，这也使电流变液的研究受到各个领域的广泛关注，如物理学领域、力学领域、数学领域、材料学工程领域等。现阶段，依据电流变液为研究基础，研发了基于电流变液的商品，为材料领域注入新的活力。基于该点，西方国家最早成立了依据电流变液为核心的综合化、专业化商业体系。电流变液在能源上具有重要的体现，将使电流变液效应成为整个能源领域上的研究热点。

同时，电流变液又被称为“灵巧的液体”，能够及时响应电场力的不同变化。通过对电场强度的控制，能够科学的设计电流变液的粘性和力学性质。以此，应对各方面的要求，实现对工业领域的精准把握。目前，材料电流变液的电流变效应，在力学领域上具有广泛的应用价值，进而在工业领域掀起新一代革命。

2 针对于电流变效应的研究基础理论分析

电流变液的电流变效应由最初在实验室发现以来，便得到广泛的研究与推广，继而诞生了电流变效应的基础理论体系。但是在最初时，研究人员需要首先解决如下3点问题。第一，电流变液为什么会在电场强度变化时而产生变化？第二，在施加的电场力一旦超过某一设定数值，即临界值时，将会导致液体出现固化现象，产生固化的原因是什么？第三，对于电流变液的固体结构如何？这3个问题都是研究电流变效应理论基础阶段需要重点考虑的。近代以来，对于这3个问题，科学家已经得出了令人满意的答案。

据国内外的相关研究文献显示，电流变液的理论基础是与电场中介电粒子的极化现象有关，而且在本质上与粒子间相互作用后产生的链化具有直接的关联。例如，当施加的外电场强度为零时，因为电介质微粒的密度和母液的密度在物理性质上十分接近，所以产生的物理性质相同，则基于该程度的自然的重力作用下，以及在热运动的趋势过程中，不会对粒子的空间分布产生影响。这时离子在空间分布上依旧遵循随机性的原则。但是当施加外电场之后，介电粒子表面将会出现极化电荷，进而形成电偶极子，感生偶极距为P=∂E。

在粒子体积浓度较低的情况下，可以与外加电场近似。一般来说，产生的极化率是一个二阶张量，只有粒子形状为球形且对称时，才可以被称之为标量。此时，感生偶极矩和有效电场之间平行。但是球形的粒子一般是采用理想情况下，如果以α表示粒子的半径，则此时的极化率为∂=βα3ε∫。电偶极子之间的相互作用会使得粒子和母液之间沿着电场的方向均匀分布。

通过参考具体的文献显示，玻璃珠在电场作用下，将会沿着电场的方向呈现排列情况，但需要在0.5 kV的电场强度下才可以完成。由于在电场的作用力下，类链状的粒子结构形成速度较快，所以人们通过肉眼无法观测到整个形成过程，且形成的内链状结构不具备特定的规则性，可能会存在横向的连接或者是纵向的短链结构，之后通过具体的观察可以得到所产生的内链状结构，可以发生粒子的调整作用。这也说明链中相邻的离子之间具备吸引力，这使电流变液在电场中的粘性增加。随着电场强度的变化，粒子之间的吸引力也会发生变化，同时体现了电流变液的物理状态由库仑力和热运动之间的强弱所决定[2]。

此外，也可以用如下的研究手段来估算相变时的临界电场强度。产生的偶离子相互作用的势能为如下运算公式：Nρ2η/εf=Nβ2α8E2ηεf。在偶极子产生的势能阶段热运动占据主导地位，使电流变液维持液体状态。之后伴随着电场强度的增强，偶粒子之间也会产生剧烈的作用，一旦超过热运动，电介质微粒则会停止运动，沿着电场力的方向排列，得到该阶段的临界场强。但是当施加一定的电场强度时，活动离子都会聚集到粒子的一端，和其他相邻的离子之间构成连接键。正是由于形成了粒子表面之间的连接键，使电流变液可以在静止时也能够承受较大的应力，以变得粘稠。这是在电流变液中所产生的水键化理论。

3 针对于电流变液的力学性质分析

因为电流变液体现的性质较为繁多，尤其是力学性质方面，所以在研究电流变液的力学性质时，可以借助图像结合模型的方式予以阐述。当不施加电场的作用时，电流变液则在本质上和牛顿流体类似。在流动时产生的切应力和切应变化率呈现正比，具体的图像如图1所示。

图1 切应力和切应变化率

一旦施加外加电场，电流变液的切应力超过规定的临界值时，电流变液才会随之流动。在电流变液的力学性能研究阶段，需要涉及到宾汉模型。但是宾汉模型具有的缺点是无法有效的描述切应力小于屈服应力时的理论性能。此外，屈服应力的动态测量也会显示到该区域，电流变液表现为线性粘性性质时，输入正应变，产生正弦变化曲线。仅仅是在初始相位角上具有不同，而且随着电场强度的不断增加，损耗模量增加而相角减少。这也意味着电流变液将会更加具有弹性特性。

此外，在屈服应力区引起电流变液流动，需要最小应力不必是宾汉屈服应力，而是静态屈服应力。关于弹性极限屈服应力，该材料显示不会具有复原性和永久性，也不是线性变化的极限，而是材料可逆变的极限到线性变化性，一般会在弹性极限的发生之前，性质如图2的电流变液应力和应变的关系所体现。

电流变液产生的静态屈服应力都具有相同的地位。根据电流变液已知的物理参数，从理论的角度上，计算屈服应力较为困难。为此，可以依据简单的电偶极子模型。在电流变液的研究体系上，凸显了电流变液的商业价值。所以，对于材料的配方以及力学性质的研究的具有较强的保密性，对此仅仅作出原理和理论上的讨论[3]。

4 针对于电流变液在未来领域的应用及发展分析

应用电流变效应可以在工业领域实现新的创新与发展，并促进了电机耦合系统的改良与升级。通过应用电流变效应，为设计新一代的转动离合器、制动器以及控制系统等提供重要的研究价值。这也使得电流变效应在计算机控制的工业领域下具有广泛的应用前景。

图2 电流变液应力和应变的关系

现阶段，以电流变器件设计的类型包括两类。第一类型中，电流变也位于有相对运动的机械部件之间，通过施加外在的电压能够改变电流变液的粘性，继而控制机械部件之间的力矩大小，如离合器部件、制动器部件和阻尼器部件。图3为用电流变效应设计的汽车转动离子机构示意图，这也进一步体现了电流变效应理论的综合使用。

图3 汽车转动离子机构示意图

据目前的市场研究显示，汽车工业是电流变电器最大的潜在发展市场。对此，可以将电流变效应与汽车工业相互结合，使汽车制动器以及其相应设备的设计升级，改变部件的基础性能。第二类型的电流变器件的基本原理为：电流变液可以在管道内运动，通过外加电压的作用来改变流体的粘度，进一步实现控制流体速度。例如，液态阀便是基于此电流变电器的原理而设计。

在电流变液的研究前景上，还可以与复合材料、光纤传感器相互结合，继而研究现代新型光纤智能化复合材料，并将其应用于智能化监控系统中。通过以该特性设计与开发的智能化监控系统，可以突出显示较高的环境特性，进而能够根据环境的特性予以实时变化，满足人们的基本需求。

5 结 论

电流变液作为商品在市场中的应用，具有稳定性、节能性、无腐蚀性等相关特点。目前，电流变液性能已经完全满足制造支架和阻尼器的设计需求，但是在较高层次的需求之外，还需要进行深层次的研究设计。经过近百年的研究分析，电流变液的机理和材料性能以及应用都取得了较大的突破，相信在不久的未来，电流变液的应用将会取得新层次的进展，进而应用于各个工业部门，促进我国工业的快速发展。