Электрореологическая жидкость - Electrorheological fluid

Часть серии по
Механика сплошной среды
Реология
Умные жидкости

Электрореологический (ER) жидкости находятся подвески очень мелких непроводящих, но электрически активных частиц (до 50 микрометры диаметр) в электрически изолирующем жидкость. Очевидное вязкость этих жидкостей обратимо изменяется на величину до 100000 в ответ на электрическое поле. Например, типичная жидкость ER может иметь консистенцию жидкость к тому из гель, и обратно, со временем отклика порядка миллисекунды.[1] Эффект иногда называют эффектом Уинслоу в честь его первооткрывателя, американского изобретателя Уиллиса Уинслоу, который получил патент США на эффект в 1947 году.[2] и написал статью, опубликованную в 1949 году.[3]

Эффект ER

Изменение кажущейся вязкости зависит от применяемого электрическое поле, т.е. потенциал, деленный на расстояние между пластинами. Изменение - это не просто изменение вязкость, поэтому эти жидкости теперь известны как жидкости ER, а не под более старым термином "Электровязкие жидкости". Эффект лучше описать как сдвиг, зависящий от электрического поля. предел текучести. При активации жидкость ER ведет себя как Бингем пластик (тип вязкоупругий материал) с пределом текучести, который определяется напряженностью электрического поля. После достижения предела текучести жидкость срезается как жидкость, т.е. инкрементный напряжение сдвига пропорциональна скорости сдвига (в Ньютоновская жидкость нет предела текучести, а напряжение прямо пропорционально сдвигу). Следовательно, сопротивлением движению жидкости можно управлять, регулируя приложенное электрическое поле.

Состав и теория

Жидкости ER - это тип умная жидкость. Простую жидкость ER можно получить путем смешивания кукурузная мука в легком растительном масле или (лучше) силиконовое масло.

Есть две основные теории, объясняющие этот эффект: межфазное натяжение или теория «водяного моста»,[4] и электростатический теория. Теория водяного моста предполагает трехфазную систему, частицы содержат третью фазу, которая является другой жидкостью (например, водой), не смешивающейся с жидкостью основной фазы (например, нефтью). В отсутствие приложенного электрического поля третья фаза сильно притягивается к частицам и удерживается внутри них. Это означает, что жидкость ER представляет собой суспензию частиц, которая ведет себя как жидкость. При приложении электрического поля третья фаза перемещается к одной стороне частиц электрическим током. осмос и связывает соседние частицы вместе, образуя цепочки. Такая структура цепи означает, что жидкость ER стала твердой. Электростатическая теория предполагает наличие только двухфазной системы с диэлектрик частицы, образующие цепочки, выровненные с электрическим полем, аналогично тому, как магнитореологическая жидкость (MR) жидкости работают. Жидкость ER была создана с твердой фазой, состоящей из проводника, покрытого изоляционным материалом.[5] Эта жидкость ER явно не может работать с моделью водяного моста. Однако, хотя и демонстрирует, что некоторые жидкости ER работают за счет электростатического эффекта, это не доказывает, что все жидкости ER работают так же. Преимущество наличия жидкости ER, которая действует на электростатический эффект, заключается в устранении тока утечки, то есть потенциально нет постоянный ток. Конечно, поскольку электрические устройства ER ведут себя как конденсаторы, а главное преимущество эффекта ER - скорость реакции, переменный ток следовало ожидать.

Частицы электрически активны. Они могут быть сегнетоэлектрик или, как упоминалось выше, из проводящий материал покрытый изолятор, или электроосмотически активные частицы. В случае сегнетоэлектрика или проводящего материала частицы будут иметь высокий диэлектрическая постоянная. Здесь может быть некоторая путаница относительно диэлектрической проницаемости дирижер, но «если материал с высокой диэлектрической проницаемостью поместить в электрическое поле, величина этого поля будет заметно уменьшена в объеме диэлектрика» (см. главную страницу: Диэлектрическая постоянная ), а поскольку электрическое поле равна нулю в идеальном проводнике, то в этом контексте диэлектрическая проницаемость проводника бесконечна.

Еще одним фактором, влияющим на эффект ER, является геометрия электроды. Введение электродов с параллельными канавками показало небольшое усиление эффекта ER, но перпендикулярно[требуется разъяснение ] рифленые электроды удваивали эффект ER.[6] Гораздо большее увеличение эффекта ER может быть получено путем покрытия электродов электрически поляризуемыми материалами. Это превращает обычный недостаток диэлектрофорез в полезный эффект. Он также снижает токи утечки в жидкости ER.[7]

Гигантская электрореологическая (ГЭР) жидкость была открыта в 2003 г.[8] и может поддерживать более высокий предел текучести, чем многие другие жидкости ER. Жидкость GER состоит из Мочевина покрытый наночастицы из Барий Титана Оксалат приостановлено в силиконовое масло. Высокий предел текучести обусловлен высоким диэлектрическая постоянная частиц, малый размер частиц и Мочевина покрытие. Еще одно преимущество GER заключается в том, что связь между электрическое поле сила и предел текучести становится линейным после того, как электрическое поле достигает 1 кВ / мм. GER имеет высокий предел текучести, но низкую напряженность электрического поля и низкую плотность тока жидкость по сравнению со многими другими жидкостями ER. Порядок приготовления суспензии приведен в.[8] Основная проблема - использование Щавелевая кислота для подготовки частиц, так как это прочный органическая кислота.

Приложения

Обычное применение жидкостей ER - это быстродействующие гидравлические клапаны[9] и клатчи, с расстоянием между пластинами порядка 1 мм и нанесенным потенциал порядка 1 кВ. Проще говоря, при приложении электрического поля гидравлический клапан ER закрывается или пластины муфты ER блокируются вместе, когда электрическое поле снимается, гидравлический клапан ER открывается или диски сцепления разъединяются. Другие распространенные приложения находятся в ER тормоза[10] (представьте тормоз как сцепление с фиксированной одной стороной) и амортизаторы[11] (которые можно рассматривать как закрытые гидравлические системы, в которых амортизатор используется для прокачки жидкости через клапан).

У этих жидкостей есть много новых применений. Возможное применение - точная абразивная полировка.[12] и, как тактильный контроллеры и тактильные дисплеи.[13]

ER жидкость также была предложена для потенциального применения в гибкая электроника, с жидкостью, включенной в такие элементы, как подвижные экраны и клавиатуры, в которых свойства жидкости, изменяющие вязкость, позволяют подвижным элементам становиться жесткими для использования и гибкими для скатывания и втягивания для хранения, когда они не используются. Motorola подала заявку на патент на мобильное устройство приложений в 2006 году.[14]

Проблемы и преимущества

Основная проблема заключается в том, что жидкости ER представляют собой суспензии, следовательно, со временем они имеют тенденцию оседать, поэтому современные жидкости ER решают эту проблему с помощью таких средств, как согласование плотностей твердых и жидких компонентов или с помощью наночастиц, которые переносят жидкости ER в в соответствии с развитием магнитореологические жидкости. Другая проблема заключается в том, что напряжение пробоя воздуха составляет ~ 3 кВ / мм, что близко к электрическому полю, необходимому для работы устройств ER.

Преимущество состоит в том, что устройство ER может управлять значительно большей механической мощностью, чем электрическая мощность, используемая для управления эффектом, то есть оно может действовать как усилитель мощности. Но главное преимущество - это скорость реакции, есть несколько других эффектов, способных так быстро управлять такими большими объемами механической или гидравлической мощности.

К сожалению, увеличение кажущейся вязкости большинства электрореологических жидкостей, используемых в режимах сдвига или потока, относительно ограничено. Жидкость ER превращается из ньютоновской жидкости в частично кристаллическую «полутвердую слякоть». Однако почти полный переход от жидкой к твердой фазе может быть получен, когда электрореологическая жидкость дополнительно испытывает сжимающее напряжение.[15] Этот эффект был использован для создания электрореологических дисплеев Брайля.[16] и очень эффективные сцепления.[17]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Ханиче, Азаде; Минцопулос, Дионисий (июнь 2008 г.). и другие. «Оценка электрореологических жидкостных демпферов для применения в среде 3-T MRI» (PDF). Транзакции IEEE / ASME по мехатронике. 3. 13. Архивировано из оригинал (PDF) в 2014-07-22. Получено 2016-10-12.
  2. ^ Патент США 2417850 : Уинслоу, У. М .: «Метод и средства преобразования электрических импульсов в механическую силу», 25 марта 1947 г.
  3. ^ Уинслоу, Уиллис М. (1949). «Индуцированное растирание суспензий». J. Appl. Phys. 20 (12): 1137–1140. Bibcode:1949JAP .... 20,1137 Вт. Дои:10.1063/1.1698285.
  4. ^ Стэнгрум, Дж. Э. (1983). «Электрореологические жидкости». Phys. Technol. 14 (6): 290–296. Bibcode:1983PhTec..14..290S. Дои:10.1088/0305-4624/14/6/305.
  5. ^ Там, W Y; Yi, G H; Вен, Вт; Ма, Н; Шэн, П. (апрель 1997 г.). «Новая электрореологическая жидкость: теория и эксперимент» (PDF). Phys. Rev. Lett. 78 (15): 2987–2990. Bibcode:1997ПхРвЛ..78.2987Т. Дои:10.1103 / PhysRevLett.78.2987.
  6. ^ Georgiades, G; Оядиджи, СО (2003). «Влияние геометрии электрода на работу гидрореологических клапанов жидкости». Журнал интеллектуальных материальных систем и структур. 14 (2): 105–111. Дои:10.1177 / 1045389X03014002006.
  7. ^ Монкман, Г. Дж. (1991). «Добавление твердых структур в электрореологические жидкости». Журнал реологии. Общество реологии. 35 (7): 1385–1392. Дои:10.1122/1.550237. ISSN  0148-6055.
  8. ^ а б Вен, Вт; Хуанг, X; Ян, S; Лу, К; Шэн, П. (ноябрь 2003 г.). «Гигантский электрореологический эффект в суспензиях наночастиц». Материалы Природы. 2 (11): 727–730. Bibcode:2003 НатМа ... 2..727Вт. Дои:10.1038 / nmat993. PMID  14528296.
  9. ^ Симмондс, AJ (июль 1991 г.). «Электро-реологические клапаны в гидравлическом контуре». IEE Proceedings D. 138 (4): 400–404. Дои:10.1049 / ip-d.1991.0054.
  10. ^ Семя, М; Хобсон, GS; Tozer, RC; Симмондс, AJ (сентябрь 1986 г.). «Электрореологический тормоз с управлением напряжением». Proc. IASTED Int. Symp. Измерение, сиг. Proc. и контроль. Таормина, Италия: ACTA Press. С. Доклад № 105–092–1.
  11. ^ Stanway, R; Sproston, JL; Эль-Вахед, АК (август 1996 г.). «Применение электрореологических жидкостей в контроле вибрации: обзор». Smart Mater. Struct. 5 (4): 464–482. Bibcode:1996SMaS .... 5..464S. Дои:10.1088/0964-1726/5/4/011.
  12. ^ KIM W. B .; ЛИ С. Дж .; KIM Y.J .; ЛИ Э. С. (2003). «Электромеханический принцип электрореологической полировки с помощью жидкости». Международный журнал станков и производства. Кидлингтон, Великобритания: Эльзевир. 43 (1): 81–88. Дои:10.1016 / S0890-6955 (02) 00143-8.
  13. ^ Лю, Y; Дэвидсон, Р. Тейлор, П. (2005). «Исследование сенсорной чувствительности тактильного дисплея на основе жидкости ER». Труды SPIE. Умные структуры и материалы 2005: Умные конструкции и интегрированные системы. 5764: 92–99. Bibcode:2005SPIE.5764 ... 92L. Дои:10.1117/12.598713.
  14. ^ «Складной / раскладной телефон от Motorola». unwiredview.com. 25 января 2008 г.
  15. ^ Монкман, Дж. Дж. (1995-03-14). «Электрореологический эффект при сжимающем напряжении». Журнал физики D: Прикладная физика. IOP Publishing. 28 (3): 588–593. Дои:10.1088/0022-3727/28/3/022. ISSN  0022-3727.
  16. ^ Монкман, Г. Дж. (1992). «Электрореологический тактильный дисплей». Присутствие: удаленные операторы и виртуальные среды. MIT Press - Журналы. 1 (2): 219–228. Дои:10.1162 / прес.1992.1.2.219. ISSN  1054-7460.
  17. ^ Монкман, Г.Дж. (1997). «Использование сжимающих напряжений в электрореологической муфте». Мехатроника. Elsevier BV. 7 (1): 27–36. Дои:10.1016 / s0957-4158 (96) 00037-2. ISSN  0957-4158.