， ，，(.， 405； .交通工程學(xué)院交通系， 4000)

1 前 言

電流變懸浮液作為一種流變特性可受外電場調(diào)控的新型智能材料[1-4]，因其具有響應(yīng)快、工作能耗低、致動力變化范圍大等優(yōu)點，而一直備受科研工作者們的關(guān)注。但至今仍然沒有一項基于電流變材料的成熟產(chǎn)品進(jìn)入市場。究其原因，是對電流變液在外電場作用下的各種力學(xué)性能表征及其內(nèi)在的機(jī)理研究不夠透徹，特別是對多場(流動場，電場等)耦合作用下的力學(xué)性能與場致亞微觀結(jié)構(gòu)的動態(tài)耦合關(guān)系的理解還不夠深入。因此準(zhǔn)確地表征電流變液在動態(tài)場下結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的動態(tài)耦合關(guān)系對詮釋電流變效應(yīng)的內(nèi)在機(jī)理具有重要意義。

雖然科研工作者進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬仿真研究電流變效應(yīng)的內(nèi)在機(jī)理，并取得諸多卓有成效的成果[5-8]，但這與電流變液的實際物理形體和動力學(xué)行為仍有一定距離，且工程應(yīng)用中的一些干擾因素也無法考慮。另外，由于電流變液的電流變效應(yīng)具有響應(yīng)快速且發(fā)生的時空尺度又非常小，特殊的激勵方式(電場強(qiáng)度非常大，電壓往往高達(dá)幾千伏)以及電場作用下其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)演變過程，都極大地阻礙了對電流變效應(yīng)這一物理響應(yīng)過程的直觀觀測。而動力學(xué)可視化工作對于直觀而又深入地理解電流變液在多場下的結(jié)構(gòu)-力動態(tài)耦合關(guān)系起著至關(guān)重要的作用。

Rhee[9]、Nam[10]、Mak和Orihara等[11-12]利用可視化試驗研究分析了流動場下電流變液的流動特性與其亞微觀結(jié)構(gòu)演變過程的關(guān)系，研究了剪切力與電場力對電流變液亞微觀結(jié)構(gòu)的影響。Zhang 和Liu等[13-14]則利用可視化試驗研究了芯-殼結(jié)構(gòu)型介電顆粒的電流變液在外電場作用下的流變特性。Tian和Gracia等[15-16]則通過擠壓試驗，觀察了電流變液在不同電場作用下亞微觀結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。

上述科學(xué)實驗僅限于觀測某個單一場內(nèi)電流變液的亞微觀結(jié)構(gòu)隨時間的演變過程。而在多場耦合作用下，對于定點或跟蹤部分顆?；蛘呶F(tuán)隨時間變化的運(yùn)動規(guī)律以及結(jié)構(gòu)-力的耦合關(guān)系沒有進(jìn)行過觀察；其次，也沒有對俘獲效應(yīng)現(xiàn)象及其在亞微觀結(jié)構(gòu)的演變過程中產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究。無疑，這部分信息的未知，極大地限制了對電流變效應(yīng)機(jī)理的全面而深入的認(rèn)識?；诖?，本文使用自制的可視化實驗臺實現(xiàn)了對電流變液顆粒的跟蹤觀察，直觀地觀察了俘獲效應(yīng)現(xiàn)象，并對其進(jìn)行了相關(guān)研究。

2 電流變動力學(xué)中的俘獲效應(yīng)

2.1 實驗工作

利用圖1所示的試驗裝置進(jìn)行電流變流體動力傳輸?shù)脑囼炑芯抗ぷ?，得到圖2所示的試驗曲線圖[17]。

圖1 試驗系統(tǒng)的回路原理圖Fig.1 Circuit schematic diagram of the test system

圖2中壓力波的出現(xiàn)，說明流動場中形成的鏈狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定，即處于形成-崩裂-形成的過程。當(dāng)鏈狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)受到大于臨界的剪切應(yīng)力值或壓力梯度值的時候，該結(jié)構(gòu)出現(xiàn)崩裂，顆粒的運(yùn)動變得紊亂。另外，在控制流動場中，由于鏈狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的存在，將對上游流過該場的電敏顆粒產(chǎn)生一個俘獲過程，進(jìn)而改變該場中流動介質(zhì)的固相分率φ、密度ρ、顆粒的堆積形式N(即結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化)，甚至介質(zhì)的電特性，致使場中鏈狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度呈增強(qiáng)趨勢。因此，將該現(xiàn)象定義為電流變動力學(xué)中表現(xiàn)出的俘獲效應(yīng)。

圖2 (a)環(huán)形結(jié)構(gòu)元件(虛線：電流9μA,流速為150mL/150s，油溫為19℃；實線：電流9μA,流速為305mL/150s,油溫為24.5℃)；(b)平行板元件(實線：電場強(qiáng)度為2500kV/m,電流為33μA，流速為420mL/174s，油溫30℃)Fig.2 (a) Annular structure element (step signal of the dashed line: electric current: 9μA, flow rate:150mL/150s, oil temperature at outlet: 19℃. Step signal of the real line: electric current: 9μA, flow rate:305mL/150s, oil temperature at outlet: 24.5℃); (b) Parallel-plates structure element (step signal: electric intensity: 2500kV/m, electric current: 33μA, flow rate:420mL/174s, oil temperature at outlet: 30℃)

2.2 理論工作

假設(shè)流動場內(nèi)的懸浮液基液具有連續(xù)性、各向同性和不可壓縮性，可以得到如下流動控制方程：

(1)

(2)

其中：ε為介電常數(shù)，η為動力粘度(Pa·s)，為梯度算子；另外ui，wi分別是第i個顆粒的線速度和角速度；而Fn，F(xiàn)er分別是流體動力和粒子間的相互作用力。若作用在單位體積基液上的力僅為F，根據(jù)能量守恒定律可以得到如下方程：

(3)

式(3)中的第一項是由于俘獲效應(yīng)而導(dǎo)致粒子不均勻分布的力，第二項是俘獲效應(yīng)使得粒子微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的力。運(yùn)用克勞修斯定律對(3)進(jìn)行簡化可得：

F=f(E,β(t,Φ(t)),N(t))

(4)

因此，方程(4)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，是一個與電場強(qiáng)度E，電特性β(t,Φ(t))和電流變懸浮液內(nèi)在結(jié)構(gòu)N(t)相關(guān)的并且可以用來表征俘獲效應(yīng)的力學(xué)函數(shù)表達(dá)式。

3 可視化試驗設(shè)備及材料

3.1 可視化試驗臺的設(shè)計

根據(jù)試驗參數(shù)與功能要求，綜合考慮機(jī)械設(shè)計、信號測試和處理技術(shù)，本文擬定了如圖3所示的設(shè)計方案[18]。

A.壓力變送器； B.數(shù)碼顯微鏡； C.電流變閥；D. PC機(jī)； E.直流高壓電源； F. DH5920動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀圖3 可視化實驗臺的原理示意圖(a)及其實物圖(b)Fig.3 Schematic diagram of the experimental apparatus (a), picture of real products (b)

可視化試驗臺由動力源、傳動機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、采集系統(tǒng)等部分組成。其工作原理為步進(jìn)電機(jī)1帶動滾珠絲桿旋轉(zhuǎn)，以控制油缸活塞桿的推進(jìn)速度，進(jìn)而控制電流變閥(即控制場)內(nèi)的電流變液的流動速度(形成Poiseuille流)；電流變閥由絕緣端座、透明玻璃和導(dǎo)電極板組成，其兩端分別裝有壓力變送器，以記錄電流變液進(jìn)出電流變閥時的壓力變化；電流變閥的上方裝有一數(shù)碼顯微鏡(AM413ZT)，可由與步進(jìn)電機(jī)2連接的絲桿帶動水平運(yùn)動，實現(xiàn)定點或追蹤電敏顆粒在控制場內(nèi)的亞微觀結(jié)構(gòu)演變過程；流量的調(diào)節(jié)是由PC機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)1來實現(xiàn)；各數(shù)據(jù)采集設(shè)備與PC機(jī)相連接；補(bǔ)償油箱可實現(xiàn)懸浮液的混勻與加熱。

3.2 電流變懸浮液的配方

電流變懸浮液的體積分?jǐn)?shù)φ=0.15，其中連續(xù)相的基本參數(shù)：材料取二甲基硅油，粘度η=1Pa·s(室溫20℃)，密度為0.96g/cm3，相對介電常數(shù)εc=2.0；離散相的基本參數(shù)：材料取陰離子交換樹脂，淡黃色球形顆粒，粒徑0.125～0.350mm，密度1.12～1.20g/cm3，相對介電常數(shù)εp=4.8。經(jīng)測試，其電流變性能曲線如圖4所示。

圖4 流變儀測試數(shù)據(jù)曲線圖Fig.4 Characteristic curve of the rheometer test data

4 可視化試驗與討論

本試驗著重研究在動態(tài)耦合場(流動場，電場等)下，電流變液在控制場中的俘獲效應(yīng)及其對流變力學(xué)性能的影響。通過追蹤捕捉電敏顆粒的運(yùn)動取向、位置變化和控制場內(nèi)的邊界信息等，分析鏈狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化情況[19-21]，以及該結(jié)構(gòu)與力的耦合關(guān)系，從而為理論建模提供依據(jù)。

4.1 動態(tài)耦合場下的俘獲效應(yīng)

實驗采用普通電源開關(guān)模擬的階躍信號，強(qiáng)度為：E=1.0kV/mm；電流變閥(即控制場)中電流變液的流速為：v=2cm/s，外加電場的作用時間為T。通過追蹤觀察電敏顆粒的位置變化，進(jìn)而研究控制場內(nèi)電流變液亞微觀結(jié)構(gòu)演變過程中的俘獲效應(yīng)，如圖5所示(俯視拍照)。

由電流變效應(yīng)可知，當(dāng)施加高壓電源時，顆粒與相鄰顆粒迅速聚集，并沿電場方向以兩電極板為起點向中間區(qū)域逐漸延伸最終形成鏈狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。當(dāng)T=2.0s時，電敏顆粒在控制場內(nèi)逐漸形成了一定的鏈狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。T=2.2s時，觀察到控制場內(nèi)的鏈狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的每條單鏈附近聚集了大量的自由電敏顆粒。從圖(a)～(b)可知，在200ms的時間內(nèi)控制場中的顆粒數(shù)目明顯增多，致使流動介質(zhì)的固相分率φ和密度ρ呈增大趨勢。因此，動態(tài)耦合場下，俘獲效應(yīng)的存在使得鏈狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠捕獲來自上游的自由電敏顆粒。

圖5 控制場中的俘獲效應(yīng)(E=1.0 kV/mm；v=2cm/s)
(a) 2.0 Sec; (b) 2.2 Sec; (c) 2.4 Sec; (d) 2.6 Sec
Fig.5 Capture effect of the control field(E=1.0 kV/mm；v=2cm/s)
(a) 2.0 Sec; (b) 2.2 Sec; (c) 2.4 Sec; (d) 2.6 Sec

另外，顆粒在電場作用下所成的鏈狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)處于一種準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)(“形成-崩裂-形成”)，其會隨時間變化而變化。當(dāng)T=2.4s，由于電敏顆粒的重新堆積，電流變液的場致亞微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了動態(tài)變化，新的鏈狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)捕獲的電敏顆粒的數(shù)量并不相同，致使顆粒堆積形式N將發(fā)生改變。當(dāng)T=2.6s時，由于被俘獲的顆粒不斷聚集在鏈狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上，從而使得鏈狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度得以增強(qiáng)。

因此，通過可視化實驗采集到的動態(tài)變化映像，可直觀地觀察動態(tài)耦合場下電流變液亞微觀結(jié)構(gòu)演變過程中的俘獲效應(yīng)現(xiàn)象。該現(xiàn)象表明：在微觀上表現(xiàn)為流動介質(zhì)的不均勻性變化和介質(zhì)形變時的密度變化，宏觀上則是電流變效應(yīng)的強(qiáng)度得以持續(xù)性增強(qiáng)。

4.2 動態(tài)耦合場下俘獲效應(yīng)對流變力學(xué)性能的影響

在電流變液可視化實驗過程中可直觀觀察到，動態(tài)耦合場下的俘獲效應(yīng)將會引起系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化和宏觀力學(xué)性能的波動。

從圖6(a)～(d)和力學(xué)函數(shù)(1)～(4)可知，俘獲作用通過改變控制場內(nèi)流動介質(zhì)的固相分率φ、顆粒的密度ρ和堆積形式N(即微觀結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化)，從而引起流動介質(zhì)的介電屬性發(fā)生變化(即力學(xué)性能的動態(tài)變化)進(jìn)而使耦合場中的作用力也發(fā)生變化。在外加電場強(qiáng)度不變的情況下，場中鏈狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度呈增強(qiáng)趨勢，宏觀表現(xiàn)為流動阻尼繼續(xù)增大(結(jié)構(gòu)與力動態(tài)耦合的宏觀表現(xiàn))，直至達(dá)到該電場下的飽和值。由于流動場中存在俘獲效應(yīng)，導(dǎo)致流動介質(zhì)從“極化”到“流變”的轉(zhuǎn)化中不僅僅存在某種“結(jié)構(gòu)”，同時還存在一個該結(jié)構(gòu)與其力學(xué)性能動態(tài)耦合的過程。

圖6 動態(tài)耦合場下，俘獲效應(yīng)對流變力學(xué)性能的影響 (a) 3.0 Sec; (b) 3.2 Sec; (c) 3.4 Sec; (d) 3.6 Sec
Fig.6 Under the dynamic coupling field, the influence of capture effect on the rheological and mechanical properties (a) 3.0 Sec; (b) 3.2 Sec; (c) 3.4 Sec; (d) 3.6 Sec

5 結(jié) 論

本文首先利用電流變流體動力傳輸實驗對俘獲理論進(jìn)行探討，并得出俘獲效應(yīng)的力函數(shù)表達(dá)式，然后再利用可視化試驗臺對電流變液在動態(tài)耦合場作用下的動力學(xué)行為進(jìn)行了直觀而深入的研究?；谧粉欕娒纛w粒的位置變化可發(fā)現(xiàn)：耦合場下動力學(xué)過程中，電流變液的場致亞微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的同時還存在俘獲效應(yīng)。研究結(jié)果表明：在動態(tài)耦合場下，由于俘獲效應(yīng)的存在將會對電流變液的亞微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能產(chǎn)生影響。即，準(zhǔn)穩(wěn)定的鏈狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在“形成-崩裂-形成”的動態(tài)重組過程中，它會對來自上游的電敏顆粒具有俘獲作用，改變了控制場中流動介質(zhì)的固相分率φ、顆粒的密度ρ及其堆積形式N，引起顆粒間的相互作用力也發(fā)生改變，進(jìn)而使得重新組成的鏈狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

[1] W.M. Winslow. Induced Fibration of Suspensions [J]. Appl. Phys, 1949, 20(12): 1137～1140.

[2] Zhang W L, Choi H J. Stimuli-responsive Polymers and Colloids under Electric and Magnetic Fields[J]. Polymers, 2014, 6(11): 2803～2818.

[3] Sheng P, Wen W. Electrorheological Fluids: Mechanisms, Dynamics, and Microfluidics Applications[J]. Annual Review of Fluid Mechanics, 2012, 44(44): 143～174.

[4] 易新文,李飛,胡克鰲.電流變體研究進(jìn)展[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報,2002,20(1):77～80.

[5] Cao J G, Huang J P, Zhou L W. Structure of Electrorheological Fluids under an Electric Field and a Shear Flow: Experiment and Computer Simulation[J]. The Journal of Physical Chemistry B, 2006, 110(24): 11635～11639.

[6] J.Kadaksham,P.Singh,N.Aubry. Dynamics of Electrorheological Suspensions Subjected to Spatially Nonuniform Electric Fields[J].Journal of Fluids Engineering,2004,126(2):170～179.

[7] Zhao X P, Yin J B. Preparation and Electrorheological Characteristics of Rare-earth-doped TiO2 Suspensions[J]. Chemistry of Materials, 2002, 14(5): 2258～2263.

[8] Limsimarat A, Techaumnat B. Dynamic Simulation Using a Multipolar Model of Particles under Dielectrophoretic Force[J]. Journal of Electrostatics, 2007, 65(65): 672～679.

[9] Rhee E J, Park M K, Yamane R, et al. A Study on the Relation Between Flow Characteristics and Cluster Formation of Electrorheological Fluid Using Visualization[J]. Experiments in Fluids, 2003, 34(3): 316～323.

[10] Nam Y J, Park M K, Yamane R. Dynamic Responses of Electrorheological Fluid in Steady Pressure Flow[J]. Experiments in Fluids, 2008, 44(6): 915～926.

[11] Kontopoulou M, Kaufman M, Docoslis A. Electrorheological Properties of PDMS/Carbon Black Suspensions under Shear Flow[J]. Rheologica Acta, 2009, 48(4): 409～421.

[12] Orihara H, Nishimoto Y, Aida K, et al. Three-dimensional Observation of an Immiscible Polymer Blend Subjected to a Step Electric Field under Shear Flow[J]. Physical Review E, 2011, 83(2): 436～445.

[13] Zhang W L, Liu Y D, Choi H J. Graphene Oxide Coated Core-shell Structured Polystyrene Microspheres and Their Electrorheological Characteristics under Applied Electric Field[J]. Journal of Materials Chemistry, 2011, 21(19): 6916～6921.

[14] Liu Y D, Quan X, Hwang B, et al. Core-shell-structured Monodisperse Copolymer/silica Particle Suspension and Its Electrorheological Response[J]. Langmuir, 2014, 30(7): 1729～1734.

[15] Tian Y, Zhang M, Meng Y, et al. Transient Response of Compressed Electrorheological Fluid[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2005, 290(1): 289～291.

[16] Gracia-Fernández C, Gómez-Barreiro S,lvarez-García A, et al. Electrorheological Behaviour of a Starch-oil System[J]. Rheologica Acta, 2014, 53(8): 655～661.

[17] Shisha Z, Hongli S, Yijian H, et al. Capture Effect of Electrorheological Suspensions in Flow field[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2007, 20(2):97～100.

[18] 朱石沙,唐濤.一種電流變液可視化試驗臺[P].中國專利, 201310624089.4,2013-12-2.

[19] Kor Y K, See H. The Electrorheological Response of Elongated Particles[J]. Rheologica Acta, 2010, 49(7): 741～756．

[20] Aliotta F, Calandra P, Pochylski M, et al. Enhancement of Electrorheological Effect by Particle-fluid Interaction[J]. Physical Review E, 2013, 87(6): 062304～062304.

[21] 朱石沙,羅奇,劉金剛.恒壓驅(qū)動流下電流變液動力學(xué)可視化實驗研究[J].材料導(dǎo)報,2015, 29(7):82～86.