王振東：奇異的電磁流變液體

　　在常溫常壓下，物質(zhì)可分為固體、液體和氣體三種狀態(tài)，也稱為三個(gè)相。如水蒸氣、水和冰，就是三個(gè)相。任何人都容易使用一臺(tái)冰箱和一個(gè)低淺容器，將水（液體）凍成冰（固體），然后又可再取出冰（固體）來(lái)加熱，使其化成水（液體）。但是，你能在幾秒鐘或更短的時(shí)間內(nèi)，將液體固化，然后又將其液化嗎？

　　“T—1000型終結(jié)者”，是在電影“終結(jié)者之二：世界末日（Terminator 2:Judgment Day）”里出現(xiàn)的科學(xué)幻想機(jī)器人。它幾乎是不可摧毀的，能夠毫不費(fèi)力地使液態(tài)和固態(tài)相互轉(zhuǎn)換。它的液態(tài)金屬皮膚，如果被子彈射穿，就能馬上使彈孔融合；
如果被打成碎片，也能馬上熔化，并再凝結(jié)恢復(fù)為原樣。這樣的科學(xué)幻想能實(shí)現(xiàn)嗎？電流變或磁流變液體，正好為影片制作者的這一科學(xué)幻想，提供了實(shí)現(xiàn)的可能。

　　本文將介紹能實(shí)現(xiàn)這種科學(xué)幻想的智能性材料—電流變液體和磁流變液體。它們是一種在電場(chǎng)或磁場(chǎng)里，可發(fā)生狀態(tài)變化的物質(zhì)。根據(jù)其所受場(chǎng)強(qiáng)的不同，它們可像水一樣流動(dòng)，也可像蜂蜜那樣黏稠，還可以像骨膠一樣固化。而這種物質(zhì)，從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)，所需時(shí)間又很短。

　　磁流變制動(dòng)器的小實(shí)驗(yàn)

　　簡(jiǎn)單的磁流變制動(dòng)器的示意圖如下圖所示。實(shí)驗(yàn)用的磁流變液體（Magnetorheological Fluids，以下簡(jiǎn)稱MRF）由鐵屑和玉米油組成。用放大鏡能鑒別出鐵屑的單個(gè)顆粒，但其長(zhǎng)度應(yīng)全部小于0.5毫米。MRF由按重量計(jì)的25份玉米油對(duì)100份鐵屑攬拌混合而成。桿

　　磁流變實(shí)驗(yàn)器示意圖

　　由不可能被磁化的材料做成，如塑料或鋁。為更好地觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可用一塑料盤與位于MRF中的桿端相連接。桿與透明塑料容器間放橡皮環(huán)，以使液體不泄漏。電磁鐵可用幾伏特的電源供電，也可用強(qiáng)有力的永久磁鐵來(lái)的取代電磁鐵。

　　在未施加磁場(chǎng)之前，桿的旋轉(zhuǎn)幾乎沒有阻力；
當(dāng)磁場(chǎng)加上時(shí)，液體馬上就固化了，桿己很難轉(zhuǎn)動(dòng)；
但一旦去除磁場(chǎng)，容器內(nèi)的MRF材料又立即液化，桿又可自由旋轉(zhuǎn)了。這就是花錢雖不多，卻能在幾秒鐘之內(nèi)將液體固化，然后又將其液化的磁流變制動(dòng)器的小實(shí)驗(yàn)。

　　電流變液體及其性能

　　美國(guó)科學(xué)家Winslow W.M.在1947年，以專利形式公布了他以8年時(shí)間研究發(fā)現(xiàn)的電流變液體（Electrorheological Fluids，以下簡(jiǎn)稱ERF）。他將一些半導(dǎo)體型的固體顆粒，分散在低黏、絕緣性良好的油中，再添加一些分散劑，制得懸浮體。當(dāng)加上一定的電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，很薄一層ERF的表觀黏度，就能增大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，甚至出現(xiàn)明顯的固化現(xiàn)象。當(dāng)去掉電場(chǎng)后，液體的表觀黏度又迅速恢復(fù)原樣。后來(lái)，人們將這種可逆的黏度突變效應(yīng)，稱為電流變效應(yīng)，或Winslow效應(yīng)。

　　但對(duì)ERF引起重視，卻是20世紀(jì)80年代之后的事。這主要是人們逐漸看到了ERF，有許多可供發(fā)展的技術(shù)和工程應(yīng)用的奇異性能。這些可被利用的主要特性是：

　　（1）在電場(chǎng)作用下，液體的表觀黏度或剪切應(yīng)力能有明顯的突變，可在毫秒瞬間產(chǎn)生相當(dāng)于液態(tài)屬性到固態(tài)屬性間的變化。

　�。�2）這種變化是可逆的，即一旦去除電場(chǎng)，可恢復(fù)到原來(lái)的液態(tài)。

　�。�3）這種變化是連續(xù)和無(wú)級(jí)的，即在液-固、固-液的變化過(guò)程中，表觀黏度或剪切應(yīng)力是無(wú)級(jí)連續(xù)變化的。

　　（4）這種變化是可控制的，并且控制變化的方法簡(jiǎn)單，只需加一個(gè)電場(chǎng)；
所需的控制能耗也很低。因此運(yùn)用微機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制有廣闊的前途。

　　由以上奇異的特性，人們將ERF稱為“智能性材料”，也有人稱它為“聰明流體”。

　　今天的電流變液體，己不再是20世紀(jì)40年代時(shí)那種較簡(jiǎn)單的混合體。除了介電常數(shù)和黏度較低的基液、和極化特性很高的固體微粒兩種關(guān)鍵成分之外，往往還含有活化劑和分散劑。分散劑的作用，是防止微粒在無(wú)電場(chǎng)時(shí)相互粘合�；罨瘎┑淖饔脵C(jī)制還不完全清楚�；罨瘎�（往往使用水，有時(shí)用酒精）里含有雜質(zhì)，通常是溶解鹽。一般認(rèn)為，水受油質(zhì)懸浮液排斥，而聚集在微粒表面，而溶解鹽在電場(chǎng)作用下被極化，其電荷增強(qiáng)了微粒的固有極化。

　　電流變液體是有復(fù)雜性質(zhì)的懸浮體系，是一種典型而又復(fù)雜的非牛頓流體。

　　1987年以前，ERF研究只在美、英和前蘇聯(lián)等少數(shù)國(guó)家保密速行，目前世界上己有美、英、日、德、法、俄和我國(guó)等十多個(gè)國(guó)家在進(jìn)行研究。對(duì)電流變現(xiàn)象的機(jī)理，也己了解得越來(lái)越清楚，在ERF材料的選擇上也有長(zhǎng)足的進(jìn)展。對(duì)ERF的工程應(yīng)用，己提出許多誘人的設(shè)想。

　　電流變現(xiàn)象的機(jī)理

　　電流變現(xiàn)象之所以引起科學(xué)家們的極大興趣，不僅僅因?yàn)镋RF這種材料具有實(shí)用的物理性能，而且還因其有錯(cuò)綜復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。當(dāng)流體自由流動(dòng)時(shí)，ERF中微粒的運(yùn)動(dòng)相互之間沒有關(guān)系；
當(dāng)液體在電場(chǎng)作用下變成固態(tài)時(shí)，微粒連結(jié)成肉眼可見的細(xì)鏈和粗柱狀

　　左為無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)，右為有外加電場(chǎng)時(shí)

　　微粒在電場(chǎng)的作用下，不論其運(yùn)動(dòng)方向如何，其兩極或上或下始終指向電極，從而使微粒吸合在一起，首尾相連，排列成行，構(gòu)成長(zhǎng)鏈。這種情況，就好像鐵屑在磁場(chǎng)作用下沿磁力線的排列一樣。電流變液體內(nèi)的微粒鏈迅速形成，并在容器內(nèi)從一端延伸至另一端，這就是流體迅速固化的關(guān)鍵因素。

　　實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，柱狀體的形成要比預(yù)期的快，這與微粒的布朗運(yùn)動(dòng)有關(guān)。布朗運(yùn)動(dòng)是1827年由蘇格蘭植物學(xué)家R.布朗首先發(fā)現(xiàn)的液體內(nèi)懸浮微粒不停頓的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，其成因是微粒和大量液體分子之間的碰撞。在ERF中，懸浮微粒在受到液體分子從各方面的沖撞時(shí)，就圍繞其在鏈中的平均位置作不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。因此，盡管微粒鏈總的來(lái)說(shuō)可能是直線，但在某一時(shí)刻，卻因布朗運(yùn)動(dòng)的影響而發(fā)生彎曲。這種輕微變形，卻又增強(qiáng)了各鏈之間的互相吸引力，并促使各鏈聚集成柱狀體。

　　ERF在電場(chǎng)作用下固化后可承受機(jī)械力。像其他固體材料那樣，其發(fā)生破壞的應(yīng)力大小稱為屈服應(yīng)力。此時(shí)微粒鏈斷裂，材料開始流動(dòng)。為了某種工程應(yīng)用，希望屈服應(yīng)力盡可能大些。但在研究過(guò)程中，人們還不滿意現(xiàn)有的ERF，因?yàn)樗�的屈服�?yīng)力不夠高。近幾年己開始研究屈服應(yīng)力更高的磁流變液體（MRF）。流變學(xué)是研究材料流動(dòng)與變形的學(xué)科，深入地研究這些問(wèn)題，正是流變學(xué)的研究范圍。

　　令人振奮的應(yīng)用前景

　　電或磁流變液體的應(yīng)用前景，是十分令人振奮的。己見到申請(qǐng)專利的元器件，有離合器、液壓閥、減振器等等。下面將就其原理作一簡(jiǎn)單的介紹。

　　電流變離合器

　　將電流變液體充于兩個(gè)圓筒或平板之間。當(dāng)ERF形成固態(tài)時(shí)，就迫使傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；
而當(dāng)它變成液態(tài)時(shí)，就使發(fā)動(dòng)機(jī)脫離傳動(dòng)軸，而自由旋轉(zhuǎn)，好像處于空檔一樣。兩個(gè)筒或板之間的轉(zhuǎn)速比，也可以調(diào)節(jié)。這樣的離合器幾乎不存在零件磨損，或損壞的問(wèn)題。而且這樣的離合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，噪音低，反應(yīng)時(shí)間僅為千分之幾秒，使純機(jī)械的離合器望塵莫及。

　　電流變減振器

　　同心圓筒固定電極閥式減振器，在同心圓筒間充滿有ERF，來(lái)源于電流變效應(yīng)的阻力，阻止了流體在同心圓筒間的流動(dòng)。當(dāng)活塞（內(nèi)圓筒）運(yùn)動(dòng)時(shí)，微機(jī)可以立即調(diào)節(jié)電極電壓，以改變ERF的黏稠度。如用在汽車上，毫秒級(jí)時(shí)間的迅速反應(yīng)，有可能在活塞運(yùn)動(dòng)沖程的中途，就提高了流體的黏稠度，以減緩因道路不平而造成的顛簸。隨后，流體又可變稀，再迅速?gòu)?fù)原。因此一種減振器，就可適合各種車輛和工作環(huán)境。

　　滑動(dòng)平扳型減振器，是在兩滑動(dòng)板間充滿ERF。來(lái)源于兩滑動(dòng)板間流體電流變效應(yīng)的阻力，產(chǎn)生剪切力，并由此引起壓力增大。

　　電流變液壓閥

　　將電流變液體注入一狹縫容器中，通過(guò)電場(chǎng)控制REF的黏稠度，以起到節(jié)流閥和開關(guān)的作用。當(dāng)ERF固化時(shí)，就使流動(dòng)完全停止，從而關(guān)閉了流經(jīng)細(xì)管段的液流。這種電流變液壓通路“閥”，也可以設(shè)計(jì)成同軸圓筒型或平板型。還可將幾個(gè)ERF通路，按一定的方式組合在一起，做成特殊用途的裝置。液壓系統(tǒng)有希望采用ERF通路“閥”，而成為新的液壓系統(tǒng)，它比傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)反應(yīng)還要迅速。

　　機(jī)器人的活動(dòng)關(guān)節(jié)

　　在機(jī)器人領(lǐng)域中，可用ERF制造出體積小、反應(yīng)快、動(dòng)作靈活、直接用微機(jī)控制的活動(dòng)關(guān)節(jié)。如今，簡(jiǎn)易的機(jī)器人己在從事工業(yè)中的許多工作。如果有非常靈巧的電流變活動(dòng)關(guān)節(jié)，就可以完成能迅速做出反應(yīng)的更復(fù)雜的事，比如說(shuō)接棒球、繞精細(xì)金屬絲等。“T—1000型終結(jié)者”那樣的科幻機(jī)器人，將會(huì)更早的出現(xiàn)。

　　目前己有人提出，尋找一種既具有電流變效應(yīng)，又具有磁流變效應(yīng)的微粒，制造電磁流變液體（EMRF）。這種粒子和懸浮液，不僅可以受電場(chǎng)的作用，產(chǎn)生電流變效應(yīng)；
而且還可以受磁場(chǎng)的作用，產(chǎn)生磁流變效應(yīng)。電流變液體、磁流變液體、電磁流變液體的研究和技術(shù)正剛剛開始，還沒有進(jìn)入成熟的階段，從基礎(chǔ)理論到應(yīng)用技術(shù)，都還有許多問(wèn)題有待研究解決。但可以預(yù)期：電磁流變液體這一高新技術(shù)，必將促使新一代的機(jī)電一體化器件出現(xiàn)，并會(huì)在汽車、機(jī)械、航空、航天、石油、化工和其他工業(yè)部門，得到廣泛應(yīng)用。

　�。ㄔ�刊登于《力學(xué)與實(shí)踐》1998年20卷6期，作者授權(quán)天益發(fā)布）

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