基于可视化的电流变动力学中的俘获效应

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1 前 言

电流变悬浮液作为一种流变特性可受外电场调控的新型智能材料[1-4]，因其具有响应快、工作能耗低、致动力变化范围大等优点，而一直备受科研工作者们的关注。但至今仍然没有一项基于电流变材料的成熟产品进入市场。究其原因，是对电流变液在外电场作用下的各种力学性能表征及其内在的机理研究不够透彻，特别是对多场(流动场，电场等)耦合作用下的力学性能与场致亚微观结构的动态耦合关系的理解还不够深入。因此准确地表征电流变液在动态场下结构与力学性能的动态耦合关系对诠释电流变效应的内在机理具有重要意义。

虽然科研工作者进行了大量的数值模拟仿真研究电流变效应的内在机理，并取得诸多卓有成效的成果[5-8]，但这与电流变液的实际物理形体和动力学行为仍有一定距离，且工程应用中的一些干扰因素也无法考虑。另外，由于电流变液的电流变效应具有响应快速且发生的时空尺度又非常小，特殊的激励方式(电场强度非常大，电压往往高达几千伏)以及电场作用下其复杂的结构演变过程，都极大地阻碍了对电流变效应这一物理响应过程的直观观测。而动力学可视化工作对于直观而又深入地理解电流变液在多场下的结构-力动态耦合关系起着至关重要的作用。

Rhee[9]、Nam[10]、Mak和Orihara等[11-12]利用可视化试验研究分析了流动场下电流变液的流动特性与其亚微观结构演变过程的关系，研究了剪切力与电场力对电流变液亚微观结构的影响。Zhang 和Liu等[13-14]则利用可视化试验研究了芯-壳结构型介电颗粒的电流变液在外电场作用下的流变特性。Tian和Gracia等[15-16]则通过挤压试验，观察了电流变液在不同电场作用下亚微观结构的动态变化。

上述科学实验仅限于观测某个单一场内电流变液的亚微观结构随时间的演变过程。而在多场耦合作用下，对于定点或跟踪部分颗粒或者微团随时间变化的运动规律以及结构-力的耦合关系没有进行过观察；其次，也没有对俘获效应现象及其在亚微观结构的演变过程中产生的影响进行研究。无疑，这部分信息的未知，极大地限制了对电流变效应机理的全面而深入的认识。基于此，本文使用自制的可视化实验台实现了对电流变液颗粒的跟踪观察，直观地观察了俘获效应现象，并对其进行了相关研究。

2 电流变动力学中的俘获效应

2.1 实验工作

利用图1所示的试验装置进行电流变流体动力传输的试验研究工作，得到图2所示的试验曲线图[17]。

图1 试验系统的回路原理图Fig.1 Circuit schematic diagram of the test system

图2中压力波的出现，说明流动场中形成的链状网络结构并不稳定，即处于形成-崩裂-形成的过程。当链状网络结构受到大于临界的剪切应力值或压力梯度值的时候，该结构出现崩裂，颗粒的运动变得紊乱。另外，在控制流动场中，由于链状网络结构的存在，将对上游流过该场的电敏颗粒产生一个俘获过程，进而改变该场中流动介质的固相分率φ、密度ρ、颗粒的堆积形式N(即结构的动态变化)，甚至介质的电特性，致使场中链状网络结构强度呈增强趋势。因此，将该现象定义为电流变动力学中表现出的俘获效应。

图2 (a)环形结构元件(虚线：电流9μA,流速为150mL/150s，油温为19℃；实线：电流9μA,流速为305mL/150s,油温为24.5℃)；(b)平行板元件(实线：电场强度为2500kV/m,电流为33μA，流速为420mL/174s，油温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 理论工作

假设流动场内的悬浮液基液具有连续性、各向同性和不可压缩性，可以得到如下流动控制方程：

(1)

(2)

其中：ε为介电常数，η为动力粘度(Pa·s)，为梯度算子；另外ui，wi分别是第i个颗粒的线速度和角速度；而Fn，Fer分别是流体动力和粒子间的相互作用力。若作用在单位体积基液上的力仅为F，根据能量守恒定律可以得到如下方程：

(3)

式(3)中的第一项是由于俘获效应而导致粒子不均匀分布的力，第二项是俘获效应使得粒子微观结构发生变化的力。运用克劳修斯定律对(3)进行简化可得：

F=f(E,β(t,Φ(t)),N(t))

(4)

因此，方程(4)的数学表达式，是一个与电场强度E，电特性β(t,Φ(t))和电流变悬浮液内在结构N(t)相关的并且可以用来表征俘获效应的力学函数表达式。

3 可视化试验设备及材料

3.1 可视化试验台的设计

根据试验参数与功能要求，综合考虑机械设计、信号测试和处理技术，本文拟定了如图3所示的设计方案[18]。

A.压力变送器； B.数码显微镜； C.电流变阀；D. PC机； E.直流高压电源； F. DH5920动态数据采集仪图3 可视化实验台的原理示意图(a)及其实物图(b)Fig.3 Schematic diagram of the experimental apparatus (a), picture of real products (b)

可视化试验台由动力源、传动机构、液压系统、控制系统、采集系统等部分组成。其工作原理为步进电机1带动滚珠丝杆旋转，以控制油缸活塞杆的推进速度，进而控制电流变阀(即控制场)内的电流变液的流动速度(形成Poiseuille流)；电流变阀由绝缘端座、透明玻璃和导电极板组成，其两端分别装有压力变送器，以记录电流变液进出电流变阀时的压力变化；电流变阀的上方装有一数码显微镜(AM413ZT)，可由与步进电机2连接的丝杆带动水平运动，实现定点或追踪电敏颗粒在控制场内的亚微观结构演变过程；流量的调节是由PC机控制步进电机1来实现；各数据采集设备与PC机相连接；补偿油箱可实现悬浮液的混匀与加热。

3.2 电流变悬浮液的配方

电流变悬浮液的体积分数φ=0.15，其中连续相的基本参数：材料取二甲基硅油，粘度η=1Pa·s(室温20℃)，密度为0.96g/cm3，相对介电常数εc=2.0；离散相的基本参数：材料取阴离子交换树脂，淡黄色球形颗粒，粒径0.125～0.350mm，密度1.12～1.20g/cm3，相对介电常数εp=4.8。经测试，其电流变性能曲线如图4所示。

图4 流变仪测试数据曲线图Fig.4 Characteristic curve of the rheometer test data

4 可视化试验与讨论

本试验着重研究在动态耦合场(流动场，电场等)下，电流变液在控制场中的俘获效应及其对流变力学性能的影响。通过追踪捕捉电敏颗粒的运动取向、位置变化和控制场内的边界信息等，分析链状网络结构变化情况[19-21]，以及该结构与力的耦合关系，从而为理论建模提供依据。

4.1 动态耦合场下的俘获效应

实验采用普通电源开关模拟的阶跃信号，强度为：E=1.0kV/mm；电流变阀(即控制场)中电流变液的流速为：v=2cm/s，外加电场的作用时间为T。通过追踪观察电敏颗粒的位置变化，进而研究控制场内电流变液亚微观结构演变过程中的俘获效应，如图5所示(俯视拍照)。

由电流变效应可知，当施加高压电源时，颗粒与相邻颗粒迅速聚集，并沿电场方向以两电极板为起点向中间区域逐渐延伸最终形成链状网络结构。当T=2.0s时，电敏颗粒在控制场内逐渐形成了一定的链状网络结构。T=2.2s时，观察到控制场内的链状网络结构的每条单链附近聚集了大量的自由电敏颗粒。从图(a)～(b)可知，在200ms的时间内控制场中的颗粒数目明显增多，致使流动介质的固相分率φ和密度ρ呈增大趋势。因此，动态耦合场下，俘获效应的存在使得链状网络结构能够捕获来自上游的自由电敏颗粒。

图5 控制场中的俘获效应(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，颗粒在电场作用下所成的链状网络结构处于一种准稳定状态(“形成-崩裂-形成”)，其会随时间变化而变化。当T=2.4s，由于电敏颗粒的重新堆积，电流变液的场致亚微观结构发生了动态变化，新的链状网络结构捕获的电敏颗粒的数量并不相同，致使颗粒堆积形式N将发生改变。当T=2.6s时，由于被俘获的颗粒不断聚集在链状网络结构上，从而使得链状网络结构的强度得以增强。

因此，通过可视化实验采集到的动态变化映像，可直观地观察动态耦合场下电流变液亚微观结构演变过程中的俘获效应现象。该现象表明：在微观上表现为流动介质的不均匀性变化和介质形变时的密度变化，宏观上则是电流变效应的强度得以持续性增强。

4.2 动态耦合场下俘获效应对流变力学性能的影响

在电流变液可视化实验过程中可直观观察到，动态耦合场下的俘获效应将会引起系统的微观结构的动态变化和宏观力学性能的波动。

从图6(a)～(d)和力学函数(1)～(4)可知，俘获作用通过改变控制场内流动介质的固相分率φ、颗粒的密度ρ和堆积形式N(即微观结构的动态变化)，从而引起流动介质的介电属性发生变化(即力学性能的动态变化)进而使耦合场中的作用力也发生变化。在外加电场强度不变的情况下，场中链状网络结构强度呈增强趋势，宏观表现为流动阻尼继续增大(结构与力动态耦合的宏观表现)，直至达到该电场下的饱和值。由于流动场中存在俘获效应，导致流动介质从“极化”到“流变”的转化中不仅仅存在某种“结构”，同时还存在一个该结构与其力学性能动态耦合的过程。

图6 动态耦合场下，俘获效应对流变力学性能的影响 (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 结 论

本文首先利用电流变流体动力传输实验对俘获理论进行探讨，并得出俘获效应的力函数表达式，然后再利用可视化试验台对电流变液在动态耦合场作用下的动力学行为进行了直观而深入的研究。基于追踪电敏颗粒的位置变化可发现：耦合场下动力学过程中，电流变液的场致亚微观结构发生变化的同时还存在俘获效应。研究结果表明：在动态耦合场下，由于俘获效应的存在将会对电流变液的亚微观结构与力学性能产生影响。即，准稳定的链状网络结构在“形成-崩裂-形成”的动态重组过程中，它会对来自上游的电敏颗粒具有俘获作用，改变了控制场中流动介质的固相分率φ、颗粒的密度ρ及其堆积形式N，引起颗粒间的相互作用力也发生改变，进而使得重新组成的链状网络结构更加稳定。

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