电流变体在结构工程振动控制中的应用研究

　　1　电流变体性能研究及工程应用现状

　　电流变体(electrorheological fluids,简称ER流体)是一种可控流体,是能在外加电场作用下迅速实现液体-固体性质转变的一类智能材料,它能感知环境(外加电场)的变化,并且根据环境的变化自动调节材料本身的性质,使其粘度、阻尼性能和剪切力都发生相应的变化,且这种转变连续、可逆、迅速,以及能耗小(一般能源功率<25W).

　　1946年以前,电流变效应的发现是根据一种均态的单相液体,特征是研究溶液在电场作用下的流态变化,特点是粘度效应,被称为电粘效应.两相ER流体的创始人是W inslow,两相ER流体的流态变化叫做电流变效应,其主要特征是除了基础液可能存在的电粘效应外,还存在一个重要的效应,即粒子的成链效应,合起来称作电流变效应.早期应用较多的ER流体是含水的,或以水为活性剂,但是水的存在限制了ER流体工作的温度范围.无水的ER流体的发现是一个重大进步和突破,因为它排除了水的影响.电磁流变液体是两相ER流体的进一步发展,目的在于提高屈服应力值.人工合成粒子使ER流体走上可预先设定其性能的道路,是ER流体合成的重大进展.强电粘效应的单相电粘液体(液晶及强极性液体)是为了解决两相悬浮液中沉淀问题的一个重要改进.近年出现的采用强电粘效应的基础液的两相ER流体,是目前最有吸引力的构思[1-3].

　　电流变效应的发现及电流变体的研制,其最终目的是为了工程应用.从目前发表的报道来看,利用电流变体的表观粘度和抗剪切强度可以通过电压快速可逆地进行控制的特点,可以广泛应用在汽车和通用机械工业,并有可能在液压、机械制造、传感技术等部门引起革命性变化.不过到目前为止,虽然国内外在电流变技术方面投入了大量的人力和物力,但是商用的电流变技术还是没有得到广泛的工业应用.究其原因,通常认为是电流变体在最高允许电场驱动下最大剪切屈服强度不够高,一般不会超过15 kPa.然而,这种情况随着电流变技术的不断发展而得到改善.近年来,电流变智能材料性能研究方面已取得了比较大的突破.清华大学田煜博士[2]所研制的电流变体剪切屈服应力可达40 kPa以上,而且电流变体压缩屈服应力可比剪切屈服应力高一个数量级,拉伸屈服应力是剪切屈服应力的2~3倍,从而基于电流变体的拉伸和压缩效应,可以获得比剪切屈服效应大得多的阻尼力. 2003年,香港科技大学温维佳等[3]研制出的电流变体在电场强度为5 kV/mm时,剪切屈服强度甚至达到130 kPa.可以看出,电流变体的性能已经有了很大的提高,而且目前的电流变器件的力学输出性能大都基于电流变体的剪切特性来设计,如果使用电流变体的拉伸和压缩效应,就可以突破其剪切屈服应力的限制,大大增强电流变体的驱动性能.