电流变液阻尼器的模糊控制及其工程应用

　　电流变液(ElectrorheologicalFluid)是一种新型的智能材料,它在没有电场作用时是一种低粘度的液体,在外加电场作用下,液体的流变性质发生改变,其粘性增加并产生屈服应力;当电场强度达到某一临界值时,电流变液迅速由液态向类固态转变,具有很大的屈服应力。在电场作用下电流变液体的表观粘度和屈服应力无级连续变化,便于实现实时控制;这种转变是可逆的,即撤去外加电场后,电流变液体又从类固态转变成原来的状态;响应时间一般为几个毫秒;并且实现这种转变的能耗非常低。

　　1　电流变液材料及其性质

　　1. 1　电流变液材料

　　电流变液主要有悬浮体系电流变液和均相体系电流变液。通常我们研究较多的是悬浮体系电流变液,它是由细微的固体颗粒均匀地分散在绝缘的母液中所配得的悬浮液。一般三部分组成:

　　①基础流体(分散介质):要求绝缘性好(低导电率或绝缘),零电场时粘度小。最常用的有硅油;

　　②固体颗粒(分散相):一般为极细小(直径1-100μm)的固体粒子或粉末,要求粒度小,介电常数大。目前有离子导体、金属导体、半导体和高分子电解质等;

　　③添加剂:主要是表面活性剂,一般为水。添加剂对于实用的电流变体系是必须的。添加剂的作用机理一是防止颗粒的凝聚,使体系稳定而提高屈服应力;二是添加剂可以增加离子数量或使其易于运动而加大了离子极化,使屈服应力增加。

　　1. 2　电流变液材料的性质

　　1. 2. 1　随着对电流变液的组成及电流变液效应产生机理的深入研究,人们普遍认为性能良好的电流变液应具有以下性质:稳定性好,无沉淀,零电场粘度低,达到固化状态的电场强度小,工作温度范围宽,能耗小,工作频带宽,价格低廉,无毒,无腐蚀等特性。

　　1. 2. 2　电流变液的力学模型

　　为了解释电流变液的工作机理,曾提出过多种理论,但目前较为流行的是颗粒极化理论(Particle Polarization Theory)。这种理论认为,粒子通过电场的极化作用产生电流变效应,在电场作用下,粒子像铁屑在磁场中的排列一样,形成一个链状结构;而在没有形成颗粒链的间隙处,粒子之间相互吸引,构成纤维状排列。当链系受到剪切作用时,粒子被拉开,但电荷仍在互相吸引,这种吸引力就是剪切阻力。由于电场的大小决定了在粒子中移动的电荷量,因而电场强度与剪切阻力成正比,当链系上的拉力超出吸引力时,粒子链断裂,电荷不再从粒子上分离,电流变液恢复流动特性,这种粒子链断裂与重组的平衡状态可用屈服应力τ_y表示。电场中两个偶极子间会产生相互作用,流场等因素决定了电流变液系统的状态。低电场下以热运动为主,系统为液态;当电场上升使得偶极子相互作用克服了热运动,介电颗粒很快开始沿电场方向排列并在两个极板之间形成链状结构。设导致固化的电场为临界电场E_C。当E>E_C时,电流变液体系变硬;EC时体系变软,电流变液由电场能导致“固化”的特征就称之为电流变效应。假设在电场为E时,电流变液具有Bingham^[2]可塑性。相互作用的剪切应力τ由公式近似得出: