聚合物基电变体课件

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1、,Haga clic para cambiar el estilo de ttulo,Haga clic para modificar el estilo de texto del patrn,Segundo nivel,Tercer nivel,Cuarto nivel,Quinto nivel,*,无忧,PPT,整理发,无忧,PPT,整理发,Haga clic para cambiar el estilo de ttulo,Haga clic para modificar el estilo de texto del patrn,Segundo nivel,Tercer nivel,Cua

2、rto nivel,Quinto nivel,*,无忧,PPT,整理发,聚合物基电流变体,聚合物基电流变体,1,通常情况下，我们看到的液体变成固体或固体变成液体，只与温度和压力有关。,然而，大家能想像出还有什么也有这样的作用吗？,电流,通常情况下，我们看到的液体变成固体或固,2,1947,年，一个叫温斯洛的美国人发现了一个奇怪的现象。他把石膏、石灰和炭粉加在橄榄油中，然后加水搅成一种悬浮液，想看看这种悬浮液能不能导电。在试验中，他意外地发现，这种悬浮液没有加上电场时，可以像水或油一样自由地流动；可是一加上电场，就能立即由自由流动的液体变成固体，而且随着电场强度的增加，固体的强度也在增加。当撤消

3、电场时，它又能立即由固体变回液体。由于这种悬浮液可以用电场来控制，因此科学家们就把它叫做“,电流变体,”，并把这种现象称为“温斯洛现象”。温斯洛还为此申请了专利。,1947年，一个叫温斯洛的美国人发现了,3,主要内容,1,、电流变体的相关介绍,2,、电流变体所具有的特征,3,、聚合物电流变体的影响因素,4,、聚合物基电流变体应用前景,主要内容1、电流变体的相关介绍,4,1,、电流变体的相关介绍,1.1,电流变体概念,电流变体(Electrorheological fluid,简称ERF)是由微米尺寸的颗粒分散于介电的载液中所形成的悬浮体，当受到外加电场的作用时，它的流变性质会发生显著的变化。其

4、属性可以在介于液体与固体之间转变，,并且这种转变是可逆的、迅速的、且能耗非常低。,由于电流变体的这些独特性质使得ER流体在未来的智能控制、机电一体化技术将占有极其重要的地位。自从电流变体及电流效应被首次报道以来，关于电流变体的研制及其应用研究的探索工作就一直受到人们的普遍关注,。,1、电流变体的相关介绍 1.1 电流变体概念,5,1,、电流变体的相关介绍,1.2,电流变体的组成,常规电流变体主要由三部分组成：低介电常数的绝缘基础液,(,连续相,),、具有较高的相对介电常数和较强极化能力的固体粒子,(,分散相,),、起粒子表面活化和增加粒子悬浮稳定性的,添加剂,。,1、电流变体的相关介绍1.2

5、电流变体的组成,6,1,、电流变体的相关介绍,分散相微粒,分散相微粒是组成,ER,流体的主要组分，它在电场作用下的极化是电流变液体产生电流变效应的核心。其材料参数如化学性质、粒径及分布和粒子形状对,ER,效应起着重要作用。,1、电流变体的相关介绍分散相微粒,7,1,、电流变体的相关介绍,在选择固体微粒材料时，一般应遵循以,下原则：,粒子应有足够高的相对介电系数；,粒子材料应有恰当的电导率；,粒子材料应能在足够宽的温度范围内保持稳定的性能；,粒子材料应有恰当的粒径。,1、电流变体的相关介绍 在选择固体微粒材料时，,8,1,、电流变体的相关介绍,连续相介质,电流变液体中的分散介质（连续相）,-,基

6、础液，是电流变液体中固体粒子的载体，并且是电流变液体的重要组成部分，它对电流变液体的性能有重大影响。,1、电流变体的相关介绍连续相介质,9,1,、电流变体的相关介绍,连续相介质须具有的性能,较强的绝缘性能和耐击穿强度，以,ER,流体的漏电流密度，并使,ER,液体能在较高的电场中工作。,较大的密度（,12.2g/cm,3,），以便与悬浮微粒的密度匹配，使制备的,ER,流体能在较好的稳定性。,具有较高的沸点、较低的冰点和蒸汽压，以便,ER,流体可以在较宽的温度范围内工作。,具有较低的黏度，使,ER,流体获得较少的零场黏度，并可以加入较多的悬浮微粒而不使零场黏度太高，增加,ER,效应。,良好的化学稳

7、定性，避免在贮存和作用过程中分解。,1、电流变体的相关介绍连续相介质须具有的性能,10,1,、电流变体的相关介绍,添加剂,添加剂在改善电流变液体的性能方面起着很重要的作用。在电流变液体中加入添加剂的目的：吸附于粒子表面的表面活性剂，促进电流变效应的加强；利用添加剂改善基础液与固体粒子表面间的“润湿”性能，使粒子之间的黏结少，在零电场时不会自动凝聚，可提高粒子在基础液中的分散性；添加稳定剂，以防止粒子的沉淀。,1、电流变体的相关介绍添加剂,11,实验证明，适量、适宜添加剂的加入能,提高,ER,流体的流变性能，改善液体的稳定性,，常见的添加剂有水、酸、碱、盐、表面活性剂和稳定剂。在一引发电流变体中

8、，必须加入水才能引发电流变效应。,体系温度过高会使水分蒸发，因而限制了电流变体的使用温度。另外，水分的存在还会引起介电击穿、腐蚀及功率耗散大等问题。,表面活性剂的引入正是为了提高悬浮液的稳定性，也有人认为表面活性剂在悬浮颗粒间会形成介晶胶束桥架，这样可能会提高电流变效应。另外，有人利用 一些极性液体，如乙醇、乙二醇、二甲胺、甲酰胺等来代替水作添加剂，以引发电流变效应。,然而水的加入会遇到什么问题呢？,实验证明，适量、适宜添加剂的加入能提,12,1,、电流变体的相关介绍,1.3,电流变体的作用机理,由于电流变体的作用机理非常复杂，对电流变现象的解释目前尚没有相对成熟的理论模型，但大多数研究人员都

9、认为,ER,效应的根源是粒子极化现象。,粒子极化理论,(Partile polarization theory),认为，电流变效应来源于电流变体中固体粒子间或内部的某种形式的,诱导极化作用,。在高压电场作用下，电流变体中粒子上的正负电荷分离，正电荷移向最靠近负电极的一侧，负电荷移向最靠近正电极的粒子一侧，在粒子表面形成偶极子，结果由于静电吸引相邻粒子的偶极子耦合，形成粒子链，然后粒子链聚合生成粒子柱，如图,1,所示。,Halsy T,C,和,Tao R,构建了粒子的柱链结构，,Halsy T,C,和,Martin,E,研究了柱链的生长过程。,1、电流变体的相关介绍1.3电流变体的作用机理,13

10、,图,1,粒子极化示意图,当粒子柱受到剪切 外力作用时，粒子柱产生变形直至被拉开；但由于电 荷的相互吸引，从而产生剪切阻力,。,图1 粒子极化示意图 当粒子柱受到剪切,14,1.3,电流变体的作用机理,理论模型,微粒极化成纤理论,双电层畸变及交叠理论,水桥理论,电泳理论,1.3电流变体的作用机理理论模型微粒极化成纤理论双电层畸变及,15,颗粒极化理论(Particle Polarization Theory),微粒极化成纤机理首先是由,Winslow,提出的，现在正逐渐发展和完善。该机理将电流变效应归因于分散相微粒相对于分散介质发生的极化。根据极化产生的机制可分为电子位移极化、离子位移极化、偶

11、极子转向极化、热离子极化、界面极化。,颗粒极化理论(Particle Polarization,16,电流变液体产生电流变现象和固化效应，主要是分散相,固体粒子的极化所致,。,粒子的体内极化,围绕在粒子表面周围的双电层的诱导极化,发生在固体粒子与分散介质相接触的界面处的界面极化,电子位移极化,偶极子转向极化,离子位移极化,电流变液体产生电流变现象和固化效应，主要是分散,17,图,2 ER,流体中微粒极化成链示意图,粒子通过电场的极化作用产生电流变效应 在电场作用下，高压电极获得了净的正电荷，而接地电极则得到净的负电荷。粒子上的正负电荷在电场作用下分离，正电荷移向最靠近的负电极的粒子一侧，而负电

12、荷则移向最靠近正电极的粒子一侧，然后粒子像铁屑在磁场中的排列一样，形成一个,链状结构,，而在没有形成颗粒链的间隙处，粒子之间相互吸引，构成,纤维状排列,。当链系受到剪切作用时，粒子被拉开，但电荷仍在互相吸引，这个吸引力就是剪切阻力。由于电场大小决定在粒子中移动的电荷量，因而直接与剪切阻力成正比，当链系上的拉力超出吸引力的强度时，粒子链就发生断裂，当链断开时，电荷不再从粒子上分离，液体恢复无电场流动特性，这种粒子链断裂与重组的平衡状态可用屈服应力表示。,根据这个模型，水对电流变效应的产生不是唯一必需的，而粒子与液体具有不同的介电常数才是唯一的。,图2 ER流体中微粒极化成链示意图 粒子通过电,1

13、8,双层理论,(Double Layer Theory),双层理论是由,klass,和,Marlinek,。,在,1967,年提出来的该理论认为,：,当有外加电场时,，,粒子周围存在一个吸附层即双层，在外加电场作用下。粒子周围的双层向与双层上所带离子相反电荷的电极运动，使粒子周围双层产生非对称分布,，,从而导致双层中非平衡电荷的分布,这种非平衡的电荷分布的结果是电荷间的相互吸引和排斥，从面产生电流变特性,。,双层理论(Double Layer Theory),19,双电层,紧,贴,固,体,颗,粒,表,面,的,单,层,为,一,个,离,子,层,延,伸,到,液,体,内,部,一,定,厚,度,的,扩,散

14、,层,图,3,双电层各部分热能的相对大小,双电层紧延图3 双电层各部分热能的相对大小,20,图,4,双电层极化,图4 双电层极化,21,可见，双电层极化、变形和交叠确实可以引起体系的黏度增大，但并不是电流效应产生的生要原因。这一机理中是定性地解释了一些实验现象，并没有发展起定量的理论。,由于很难在保持其它的条件不变的情况下系统地改变双层条件，所,以,用此理论无法确定哪个因素是影响电流变特性的主要因素,。,可见，双电层极化、变形和交叠确实可以引起体系的,22,水桥理论,(Water Glue Theory),早期的电流变体的分散相中都含有水，水的含量对于电流变效应有着显著的影响，对于水活化电流变

15、体，水是引发电流变效应不可缺少的条件,Stangroom,首先提出水桥理论，他认为体系具有,ER,效应的基本条件有以下三个：,1,、连续介质为憎水性液体,2,、分散相为亲水性且多孔的微粒,3,、分散相必须具有吸附水且其含量显著影响电流变体的性质,水桥理论(Water Glue Theory)1、连续介质,23,图,5,含水,ER,流体微粒间水桥示意图,Stangroom,认为极化粒子之间的吸引力非常弱，以致不能产生电流变效应，产生电流变效应主要是由于悬浮液中水分子的相互作用。如图,5,所示，在外加电场作用下，粒子极化，粒子孔隙中的流动离子发生迁移，水由于电渗透作用也随离子到达粒子相端，聚集在粒

16、子一端的水在粒子间形成水桥。,优点,解释了水的含量、固体粒子的多孔性和电子结构等对电流变效应的影响。,缺点,不能解释对于后来发展起来的疏水性粒子的电流变体系。,图5 含水ER流体微粒间水桥示意图 Stang,24,电泳机理,悬浮液中的微粒带有静电荷就会向着带异号电荷的电极移动，即发生电泳现象。在稀悬浮液中，微粒电泳到达电极后，由于离子迁移出微粒或者发生电化学反应，微粒改变电性并向着另一个电极移动，这样即在电极间进行往复运动。微粒的运动速度与介质的流动速度不同，介质对微粒施加力的作用使其产生额外的加速度，消耗的能量增加，导致电流变体黏度增大，然而，当体系浓度增大或外加交流电场的频率足够高时，微粒

17、的这种往复运动消失，所以微粒电泳并不是产生流变效应并不是产生流变效应的主要原因。然而，电流变体中的电泳现象已被实验所证实。,电泳机理,25,2,、电流变体所具有的特征,2.1,聚合物基电流变体基本特点,自,20,世纪,40,年代末,Winslow,报道了无机化合物,SiO,2,凝胶的电流变效应以来，人们研究较早的就是一些无机材料的电流变效应。已报道的具有电流变效应的无机材料包括硅、沸石、金属氧化物、多价金属的酸盐、复合金属氧化物等，其中以硅石、沸石等研究最早。,2、电流变体所具有的特征2.1 聚合物基电流变体基本特点,26,然而，无机材料作为电流变液中的微粒存在一些难以克服的缺点，而有机高分子

18、独特的结构特点决定了它作为电流变材料有着无机材料无法以拟的优越性。,具有表现如下：,然而，无机材料作为电流变液中的微粒存在,27,2,、电流变体所具有的特征,密,度,无,机,材,料,高分子,材,料,大,与分散介质密度差小，混合分散性好，,分散不易沉降，流体易于贮存。,小,硬度,大,小,大,小,高分子材料硬度较无机材料低，,对电极的磨损程度小,水影响,高分子材料的吸水率低,许多无机材料如硅石、沸石、金属氧化物等构成的电流变体往往在少量的水存在下才表现出明显的电流变效应，而水的存在对电流变材料的实际应用极为不利。,高分子材料品种多，易于通过物理方法中化学手段进行分子结构、微粒结构的设计，使其具有获

19、得最佳电流变体性能的可能性，目前，聚合物电流变体的研究已进入实用阶段。,2、电流变体所具有的特征密无高分子大与分散介质密度差小，混合,28,2,、电流变体所具有的特征,2.2,聚合物基电流变体的种类,天,然,高,分,子,类,合成,高,分,子,类,淀粉、纤维素、藻朊酸、琼脂、半纤维素、果胶酸、果胶、树脂及它们的衍生物,要求表面有吸附水的存在，,加之其电流变效应比较弱，,为得到较强的抗剪切力，必,须施加高电压，因而增加了,危险性，能量消耗也比较高。,聚苯乙烯类、,聚丙烯酸酯类、,有机硅类、,导电高分子和有机半导体材料,2、电流变体所具有的特征2.2 聚合物基电流变体的种类天合成,29,2,、电流变

20、体所具有的特征,2.3,流变体的粘弹性,电流变体的一个重要特征是对其施加电场后，流体的流变性能发生变化，表现为流体的表观粘度急剧增加。对电流变体的动态研究表明，受外加场强、应变频率以及应变幅值等参数的控制，电流变体可具有粘弹、线弹性、非线性弹性、塑性等不同应力响应特性。,2、电流变体所具有的特征 2.3 流变体的粘弹性,30,3.,聚合物基电流变体的影响因素,3.1,微粒,电流变体中微粒的大小范围为,0.04,50m,当微粒太小时布朗运动可抵消电场的作用而不出现电流变效应，当微粒太大时它对电场的响应很慢，从而给电流变体的实际应用带来困难，并且这些大颗粒在重力的作用下容易沉积。,3.聚合物基电流

21、变体的影响因素3.1 微粒,31,3.,聚合物基电流变体的影响因素,3.2,载体,从理论上讲，只要分散相和介质的介电常数差别显著这样的两相体系就具有电流变性,而实际上载体应为介电常数低，具有绝缘性能的油,，,从降低能量损耗的观点看，流变体应具有低导电性,。,归纳了载体的性质有：疏水性，低粘度、高沸点,、,低凝固点,、,高电阻、高介电强度。,3.聚合物基电流变体的影响因素3.2 载体,32,3.,聚合物基电流变体的影响因素,3.3,水,水对电流变效应的影响还不很清楚，这给设计实际装置带来了困难。因水活化的体系的一个主要缺点是其,工作温度范围较窄,。由于粘滞和导电可引起体系温度升高，最终导致失水而

22、影响电流变体的效率。此外，大量水的存在可导致系统的介电击穿，腐蚀和高能量消耗。人们对含水量不同的电流变体的切变应力进行,了,研究，发现随着体系含水量的增加,，,切变应力,增加并达到最大值，随后又减小,。为了解释水对电流变效应的影响,，,人们提出多种假设。一种假设是水能增加微粒的有效介电常数，从而增强了微粒间的相互作用,，,另一种假设是由于粒子具有高的表面张力,，水,有粒子之间起到粘结作用,。,Stangroom,则把这种影响比喻成面粉,与,水的混合,。,开始加水时，可使面粉相互粘结，形成稠糊状物，继续加水可最终形成水的自由通走并使能台物流变。这种机理从感觉上似乎可被,人,们接受，但严格来讲，还

23、有很多不清楚的地方。,3.聚合物基电流变体的影响因素3.3 水,33,3.,聚合物基电流变体的影响因素,3.4,表面活性剂,表面活性剂对电流变效应的影响主要是由,Trapeznikov,及其他作者们研究的,。,他们提出了两种可能的原因，一种是表面活性剂增加了悬浮微粒的稳定性,，,第二种是表面括性剂在微粒之间形成了介晶胶束桥,(mesomorphic micellar bridges,）。这两种影响都可导致电流变效应的增强。,3.聚合物基电流变体的影响因素3.4 表面活性剂,34,3.,聚合物基电流变体的影响因素,3.5,温度,随着温度的升高，典型电流变体的电流变效应将迅速增强，达到最大值，然后

24、又迅速减弱。这种现象体现了水的作用：当温度足够高时水会被蒸发掉，从而使电流变体失活，因水活化的电流变体在高于,70,的温度下长时间使用，就会产生这种失活。因此，可预计无水电流变体将具有较宽的工作温度。,对于粒径较小的微粒（微粒直径,0 1 m),。即使不考虑水的损失，在足够高的温度下，由于布朗运动会破坏纤维结构、电流变体的活性也将下降。而当微粒较大的，在实际使用的温度下，可不考虑布朗这动的影响。,3.聚合物基电流变体的影响因素3.5 温度,35,3.,聚合物基电流变体的影响因素,3.6,浓度,在一定的电场强度和温度下，当微粒体积分数增加时。电流变体的屈服应力将增加。电流变体悬浮液的表观粘度也将

25、增加，分散质浓度的增加，不但改变了在电场作用下流体的粘度，而且由于微粒聚集，也增加了无外电场时流体的粘度。因此，有必要找出最佳的体积分数，即能在电场作用下获得最佳的电流变效应。又能在无电场时保持电流变体的流动性。,Uejima,对这个问题进行了系统的研究。,3.聚合物基电流变体的影响因素3.6 浓度,36,4,、聚合物基电流变体应用前景,电流变体被称之为一种智能材料，这是由于电流变体在外加电场作用下，具有毫秒级的瞬间由,Newton,流体变成,Bingham,塑料体或黏弹体的特性。,固体,液体,可控、可逆、连续,能代替传统的电,-,机械元器件，在机电一体化的,自适应控制机构工业领域具有广泛的应

26、用前景,ER,液体被普遍认为极有是汽车工业、液压工业、机械制造业、传感器技术及机器人工业等领域发生革命的一种智能流体。,4、聚合物基电流变体应用前景 电流变体被,37,4,、聚合物基电流变体应用前景,4.2,利用电流变效应开发出来的新产品具有的特点：,机械部分结构简单可靠，整个系统只需要很少或根本没有运动部件；,使用、控制和调节具有无级连续变化的性能；,主要工作构件无磨损，寿命长；,工作柔和，噪声低，能够制造无噪声系统；,响应速度快；,控制的能量消耗低；,易于和计算机技术结合，形成智能化的控制系统。,4、聚合物基电流变体应用前景4.2 利用电流变效应开发出来的,38,制作,自适应,减振器,液体

27、,阀门,制作,离合器,ER,流体,用于,机器人,装置,可克服纯机械离合的组件磨损平生并使机构简化,能,有,效,进,行,震,颤,抑,制,提高机器人的灵敏性和准确性,实,现,连,续,准,确,的,输,出,控,制,制作液体制作ER流体用于可克服纯机械离合的组件磨损平生并使机,39,4,、聚合物基电流变体应用前景,4.4,具体实例,离台器是电流变体的主要应用之 一一在电动机驱动的转子,(,输,),和驱动轴,L,输出，之闻放置电流变休当无电场时，由于电流变体粘度很低故电动机轴可自由旋转 当外加电场时、旋转的流体粘度大幅度增加使电流变体拉着驱 动轴使它也旋转、当电场消失后，液体又显低粘度状态而使转子单独旋转

28、，由于电流变体的“固化”程度可随外加电场连续调控，故可宴现输入转动的高精度调整。,图,6,可控离合器,4、聚合物基电流变体应用前景4.4具体实例图6 可控离合器,40,4,、聚合物基电流变体应用前景,抗震是电流变体的另一主要应用。在高层建筑物的关键部位放置电流变体，通过改变其粘度，就可改变整个建筑物的自振颓率。从而在地震到来之时避免建筑物产生共振而达到自我保护的效果。,4、聚合物基电流变体应用前景 抗震是电流变,41,4,、聚合物基电流变体应用前景,此外，电流变体在液压阔、减震器、机械卡具、智能复台材料等方面也得到广泛的应用,图,7,电流变体减振器的典型结构,4、聚合物基电流变体应用前景 此外

29、，电流变,42,图,8,电流变阀门,图,9,电流变阻尼原理,图8 电流变阀门图9 电流变阻尼原理,43,图,10,转子振动主动控制电流变器件,图10 转子振动主动控制电流变器件,44,小结,目前，电流变液体研究作为一种革命性的技术开发项目正日益受到科技的高度重视。从机理、材料、性能和应用研究的角度都有了相当的发展。然而，电流变液体的研究和技术开发未完全成熟，问题多。为了实现这一目的，除了要在实验基础上逐步解决有关技术难题外，还应该继续重视电流变液体,基础理论,的研究，特别是建立更合理物理和力学模型，寻求计算其各种性能的足够精度的理论方法。可以预期，电流变液体这一高新技术必将在汽车、机械、航空、石油、航天、航海和其他工业部门得到广泛的应用。,小结 目前，电流变液体研究作为一种革命,45,谢谢！,谢谢！,46,