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摘 要:随着现代科学和技术的发展需要,传统的驱动器在驱动精度和驱动载荷能力方面已经不能满足要求。本文介绍电流变技术及其在工程中的应用。
关键词:电流变技术电流变效应电流变液
中图分类号:TH11 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)07(C)-0072-01
隨着现代科学和技术的发展需要,传统的驱动器在驱动精度和驱动载荷能力方面已经不能满足要求。进年来,利用电流变技术实现精密驱动的研究已经成为热点。
1 电流液
1.1 电流变液的概念
电流变液(electrorheological fluid)是这样一类液体的总称:在外加电场的作用下,液体的粘性会随电场强度的增加而明显增大;当电场强度达到某一临界值时,它会发生相变而迅速固化,而且具有明显的抗剪屈服应力。该过程具有可逆性。以上在电场作用下,电流变液流变特性发生变化的现象称为电流变效应。
1.2 电流变液的组成
电流变液是一种两项悬浮体系,由不导电的母液和均匀散布在其中的电介质微粒组成。同时还要加入添加剂,增强电流变效应,改善悬浮体的稳定性,常用的添加剂有水、甲醇、乙醇和胺类等[1]。
电流变液是电流变技术中的核心部分,其性能优劣直接影响电流变技术的应用。性能优良、寿命长、比较稳定,并且满足工程应用的电流变液体仍然是目前人们研究的重要课题之一。
1.3 电流变效应的特征
1)电流变液的粘度随着电场的增强而增大,最后固化。
2)固化过程在瞬间即可完成,所需时间通常在千分之一秒。
3)固态的电流变液可以还原为液体;
4)电流变液粘度的变化是连续的,可以是线性的,也可以是非线性的。
5)能耗低。
2 电流变技术的发展
2.1 第一阶段
20世纪30年代,美国科学家Winslow最早发现电流变现象,因此这种现象也被称为Winslow效应[2]。此后,
世界许多科学家对电流变液进行了大量的研究。60年代末,Klass和Martinek详细研究了电流变效应对粒子体积分数、剪切速率、电场及其频率的依赖性。
2.2 第二阶段
20世纪80年代初期,英国的Stangroom等人开发出腐蚀性小、亲水性的聚电解多孔微粒组成的电流变液,使电流变液越来越接近实用。
2.3 第三阶段
80年代后期,无水电流变液的成功研制,克服了含水电流变液的缺点,大大提高了电流变技术的应用范围。
在我国,电流变技术的研究由北京理工大学魏宸官教授与80年代末首先倡议和开展的。之后许多高校和中科院物理所等单位开展电流变技术的研究,并且有大量的研究成果。
3 电流变技术的工程应用
电流变技术广泛应用于汽车工程、液压工程、航空航海、生产自动化、机器人工程、医疗器械、体育用品、国防等领域,应用前景非常广阔。
1)利用电流变液体的表观粘度在电场作用下的无级可控性能,可以设计和制造出适合各种工程领域中作振动主控制的阻尼可调节的减振器和隔振器。
2)利用电流变液体一定范围内可以无级变化和控制的电致抗剪切屈服应力,可以设计和制造转矩、转速可以无极调节的动力传递元件。如:可调速的离合器、制动力可控的制动器等。美国东北大学的机器人专家康斯坦丁诺斯·马弗鲁迪斯发明的由电脑控制的、用于恢复肌肉力量的阻力设备,它带有一对内部含有电流变液体的制动器。
3)由于电流变液体在电场作用下,能产生高速响应的稠化和固化效应,利用它可以研制在液压控制技术常见的高速响应的开关控制器件,运动物体位置的精确控制及液压传动中的流量和压力控制的各种阀类。
电流变阀取代液压控制阀实现无级调节控制有如下优势:1)结构简单;2)动态响应快;3)不存在机械摩擦,寿命长。所以电流变阀是电流变技术研究的热点。吉林大学设计制造了单、双通道的电流变阀[3],对流量和压力差进行了理论分析和实验研究。台湾大叶大学设计了利用电流变阀控制墨水喷射的打印机,通过施加到同轴电极的电压来调节流经电流变阀的电流变液的粘度,调节流动阻力,使墨水的喷出量可以通过电压来控制[4]。
4 电流变技术的发展趋势
虽然电流变技术有很多优势,但还未发展成熟,还有很多方面需进一步发展才能在工程中得到广泛的应用:
1)力学性能要满足工程应用的需求;
2)要有较广的温度工作范围,现阶段温度的变化电流变效应影响很大;
3)物理性能要保持稳定;
4)化学性能要保持稳定;
5)电学性能要良好,有较强的极化能力、介电性能以及耐击穿能力等;
6)电流密度和电能耗要求不能过高;
7)电流变液具有绿色环保的能力。
参考文献
[1] 陈宏,陈默轩.电流变效应的研究及应用前景.工科物理,1999,9(1):26-28.
[2] 朱石沙,黄宜坚.电流变技术及应用前景.现代机械,1994,(3):32-34.
[3] 曲兴田,刘建芳,等.平板状单通道电流变阀的研究.液压与气动,2010,(1):7-9.
[4] CH Y Lee,CH Y Tseng.The dropletejection of an inkjet mechanism controlled by electrorheological fluid [J]. Materials and Design.2002,23(8):727-739.
关键词:电流变技术电流变效应电流变液
中图分类号:TH11 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)07(C)-0072-01
隨着现代科学和技术的发展需要,传统的驱动器在驱动精度和驱动载荷能力方面已经不能满足要求。进年来,利用电流变技术实现精密驱动的研究已经成为热点。
1 电流液
1.1 电流变液的概念
电流变液(electrorheological fluid)是这样一类液体的总称:在外加电场的作用下,液体的粘性会随电场强度的增加而明显增大;当电场强度达到某一临界值时,它会发生相变而迅速固化,而且具有明显的抗剪屈服应力。该过程具有可逆性。以上在电场作用下,电流变液流变特性发生变化的现象称为电流变效应。
1.2 电流变液的组成
电流变液是一种两项悬浮体系,由不导电的母液和均匀散布在其中的电介质微粒组成。同时还要加入添加剂,增强电流变效应,改善悬浮体的稳定性,常用的添加剂有水、甲醇、乙醇和胺类等[1]。
电流变液是电流变技术中的核心部分,其性能优劣直接影响电流变技术的应用。性能优良、寿命长、比较稳定,并且满足工程应用的电流变液体仍然是目前人们研究的重要课题之一。
1.3 电流变效应的特征
1)电流变液的粘度随着电场的增强而增大,最后固化。
2)固化过程在瞬间即可完成,所需时间通常在千分之一秒。
3)固态的电流变液可以还原为液体;
4)电流变液粘度的变化是连续的,可以是线性的,也可以是非线性的。
5)能耗低。
2 电流变技术的发展
2.1 第一阶段
20世纪30年代,美国科学家Winslow最早发现电流变现象,因此这种现象也被称为Winslow效应[2]。此后,
世界许多科学家对电流变液进行了大量的研究。60年代末,Klass和Martinek详细研究了电流变效应对粒子体积分数、剪切速率、电场及其频率的依赖性。
2.2 第二阶段
20世纪80年代初期,英国的Stangroom等人开发出腐蚀性小、亲水性的聚电解多孔微粒组成的电流变液,使电流变液越来越接近实用。
2.3 第三阶段
80年代后期,无水电流变液的成功研制,克服了含水电流变液的缺点,大大提高了电流变技术的应用范围。
在我国,电流变技术的研究由北京理工大学魏宸官教授与80年代末首先倡议和开展的。之后许多高校和中科院物理所等单位开展电流变技术的研究,并且有大量的研究成果。
3 电流变技术的工程应用
电流变技术广泛应用于汽车工程、液压工程、航空航海、生产自动化、机器人工程、医疗器械、体育用品、国防等领域,应用前景非常广阔。
1)利用电流变液体的表观粘度在电场作用下的无级可控性能,可以设计和制造出适合各种工程领域中作振动主控制的阻尼可调节的减振器和隔振器。
2)利用电流变液体一定范围内可以无级变化和控制的电致抗剪切屈服应力,可以设计和制造转矩、转速可以无极调节的动力传递元件。如:可调速的离合器、制动力可控的制动器等。美国东北大学的机器人专家康斯坦丁诺斯·马弗鲁迪斯发明的由电脑控制的、用于恢复肌肉力量的阻力设备,它带有一对内部含有电流变液体的制动器。
3)由于电流变液体在电场作用下,能产生高速响应的稠化和固化效应,利用它可以研制在液压控制技术常见的高速响应的开关控制器件,运动物体位置的精确控制及液压传动中的流量和压力控制的各种阀类。
电流变阀取代液压控制阀实现无级调节控制有如下优势:1)结构简单;2)动态响应快;3)不存在机械摩擦,寿命长。所以电流变阀是电流变技术研究的热点。吉林大学设计制造了单、双通道的电流变阀[3],对流量和压力差进行了理论分析和实验研究。台湾大叶大学设计了利用电流变阀控制墨水喷射的打印机,通过施加到同轴电极的电压来调节流经电流变阀的电流变液的粘度,调节流动阻力,使墨水的喷出量可以通过电压来控制[4]。
4 电流变技术的发展趋势
虽然电流变技术有很多优势,但还未发展成熟,还有很多方面需进一步发展才能在工程中得到广泛的应用:
1)力学性能要满足工程应用的需求;
2)要有较广的温度工作范围,现阶段温度的变化电流变效应影响很大;
3)物理性能要保持稳定;
4)化学性能要保持稳定;
5)电学性能要良好,有较强的极化能力、介电性能以及耐击穿能力等;
6)电流密度和电能耗要求不能过高;
7)电流变液具有绿色环保的能力。
参考文献
[1] 陈宏,陈默轩.电流变效应的研究及应用前景.工科物理,1999,9(1):26-28.
[2] 朱石沙,黄宜坚.电流变技术及应用前景.现代机械,1994,(3):32-34.
[3] 曲兴田,刘建芳,等.平板状单通道电流变阀的研究.液压与气动,2010,(1):7-9.
[4] CH Y Lee,CH Y Tseng.The dropletejection of an inkjet mechanism controlled by electrorheological fluid [J]. Materials and Design.2002,23(8):727-739.