電流變液

電流變液(Electrorheological Fluids) 簡稱ER液體或ER流體，發展歷史已經有70多年了（最初由Winslow於1949年發現）。電流變液稱為智能材料，是由於它具有受控變化的品質，其屈服應力、彈性模量能夠按照控制者的意志產生變化。早期的ER性能較差，上世紀八十年代末ER材料的研究得到突破，使它有可能逐漸獲得廣泛的應用。

ER液體通常由具有高介電常數的固體微粒均勻分散在低介電常數的絕緣油中組成，固體微粒材料的性質決定ER性能的好壞，是ER的關鍵組份。

固體微粒材料可以採用多種材料製成，常用的有無機材料（如硅膠、硅鋁酸鹽、複合金屬氧化物、複合金屬氫氧化物）、高分子材料（如高分子半導體粒子）和複合型ER材料（可以是不同的無機材料的複合、不同的高分子材料的複合、無機材料和高分子材料的複合）。評價微粒材料的主要性能指標是能夠提供的動態剪切應力的大小，動態剪應力大強度就高。此外，臨界電場（產生ER效應的最小電場強度）要小，導電率要小。絕緣液體通常有硅油、食油、礦物油，絕緣液體應具有較高的沸點，穩定性、抗腐蝕性好。

電流變液用於汽車變速的原理可以通過一個簡化的例子説明。設動力首先從下面的軸輸入（黑色箭頭），黑色的軸與藍色的齒輪之間是電流變液（綠色），如果右邊施加外電場，左邊仍保持液態，則動力由齒輪1傳到齒輪2，帶動輸出軸（紅色）轉動，由於齒輪1的半徑大於齒輪2，所以輸出軸轉得較快。如果左邊施加外電場，右邊保持液態，則動力從齒輪3傳到齒輪4，輸出軸的轉速較慢。

電流變液是一種由介電微粒與絕緣液體混合而成的複雜流體。在沒有外電場時，它的外觀很像機器用的潤滑油，一般由基礎液、固體粒子和添加劑組成。基礎液可採用煤油、礦物油、植物油、硅油等經理化處理的物體構成，要具有絕緣性能好，耐高壓，低粘度，在無電場作用下具有良好流動性這些性質；固體粒子是一種由納米至微米尺度大小的具有高的、相對的介電常數和較強極性的微細物體組成。添加劑常用水、酸、鹼、鹽類物體和表面活性劑組成，其作用是增強懸浮液的穩定性和電流變效應。

電流變液

在外電場作用下，電流變液中的固體顆粒獲得電場的感應作用，從而由液態進入固態。 電流變液組份獲得不斷改進，性能良好的電流變液在電場的作用下能產生明顯的電流變效應，即可在液態和類固態間進行快速可逆的轉化，並保持粘度連續。這種轉變極為迅速，瞬時可控，能耗極小，因而可與電腦結合，實現實時控制。電流變技術在機械工程、汽車工程、控制工程領域的應用範圍非常廣泛。

電流變液屬於複雜液體，一般由分散相、分散劑和添加劑組成，其粘度的電場可控制性構成了電流變液應用的主要方面。電流變液的本質就是電場導致的固體顆粒的極化。在外電場作用下，電流變液中的固體顆粒獲得感應極矩ρ=βα3εrE10c,首先在兩極板間排成鏈，隨電場進一步增強，鏈之間相互作用而聚集成柱，從而由液相進入固相。本實驗用立體光學顯微鏡進行放大成像，並接CCD，再連接計算機，可在線觀察，並進行更深入的研究。 實驗裝置包括：立體顯微鏡、CCD攝像頭、高壓電源、電流變液 樣品及樣品盒、電視或帶圖像卡的計算機。

電流變液技術在汽車上最直接的應用是利用它在電場下粘度連續變化的特性製造汽車離合器裝置，例如汽車自動變速器的離合器，就可以用電流變液取代傳統的齒輪離合裝置。傳統的汽車自動變速器機械結構複雜，具有體積大，耗能高的缺點。如果改用電流變液製作的離合器來代替傳統的齒輪離合裝置，不僅體積可以大幅縮小，而且控制簡單，只需控制電壓就可達到調速的目的，屆時只需在方向盤上設置幾個調速按鍵就可解決換檔。

電流變液作用下的離合裝置原理是這樣的：主動軸和從動軸之間充有電流變液。當外加電場為零時，主動軸不會帶動從動軸轉動；當電壓逐漸增加時，電流變液的粘度會隨之增加。當其粘度達到一定臨界值時，主動軸帶動從動軸轉動。

由此可見，根據電流變技術的原理，構成液—機耦合的機制，可以設計出全新的汽車結構。根據這一原理，同樣可以設計出新穎的汽車轉向系統、汽車的減震裝置、制動裝置等。與傳統的機械產品相比，具有設計簡化、應用簡便、靈敏度高、噪聲小、壽命長、成本低、易於實現電腦控制的特點。電流變技術在汽車傳動系統的重大創新將引發一場汽車技術革命。

我們知道，驅動汽車需要的扭距是很大的，這是汽車有別於其它用品的重要特徵。扭距的傳遞要靠剪切應力。所以，制約電流變液在汽車驅動系統中應用的主要因素是所允許的最大剪切應力。大多數電流變液的動態剪切應力在15kPa以下，需要進一步提高。用電流變液原理取代傳統的機械離合器的關鍵是剪切強度方面的突破。