Polar-molecular and Ionic ER fluid-a Gneral Research.pdf

1、在外加電場(chǎng)作用下,膠體顆粒會(huì)呈現(xiàn)出一系列豐富的現(xiàn)象,如顆粒的電泳,Quinckerotation,電流變性等等。這一系列現(xiàn)象的起因是顆粒周圍存在的Lorentz局域電場(chǎng)和外加電場(chǎng)的相互作用,或近鄰顆粒周圍Lorentz局域電場(chǎng)間的相互作用。因此,研究顆粒間的Lorentz局域電場(chǎng)分布,對(duì)深入理解電場(chǎng)下軟物質(zhì)的性質(zhì)有著重要的意義。在實(shí)際體系中,因?yàn)榧羟辛?布朗運(yùn)動(dòng)的存在,膠體顆?？偸翘幱谶\(yùn)動(dòng)的狀態(tài),因此研究Lorentz局域場(chǎng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)更

2、能貼近實(shí)際體系。運(yùn)用了CT原理和鈮酸鋰晶體的電光效應(yīng),我們測(cè)量了旋轉(zhuǎn)金屬顆粒間的Lorentz局域電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)分布。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):隨著顆粒的轉(zhuǎn)速的提高,金屬顆粒間的Lorentz局域電場(chǎng)會(huì)下降,在顆粒轉(zhuǎn)速1600RPM,外加電場(chǎng)分別為20V/mm,30V/mm,40V/mm時(shí),Lorentz局域電場(chǎng)與靜態(tài)時(shí)相比分別下降了8.9％,6.4％,6.46％。隨著轉(zhuǎn)速的提高(0-1600RPM),下降率的降低很明顯。
　　 應(yīng)用多鏡像原理和W

3、YG理論,我們對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做了理論計(jì)算與擬合。計(jì)算表明顆粒表面極化電荷的弛豫時(shí)間在毫秒量級(jí),隨著顆粒轉(zhuǎn)速的提高,弛豫時(shí)間呈冪指數(shù)下降。基于對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程,數(shù)據(jù)的細(xì)致分析和理論模擬,發(fā)現(xiàn)顆粒在外電場(chǎng)下極化后,表面的極化電荷吸附了油液中溶解的少量氣體或液體分子,從而使顆粒的弛豫時(shí)間在毫秒量級(jí),這樣很好的解釋了金屬顆粒間Lorentz局域場(chǎng)的動(dòng)態(tài)行為。這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與理論解釋,對(duì)于由Lorentz局域場(chǎng)的響應(yīng)導(dǎo)致的物理現(xiàn)象的實(shí)際應(yīng)用有著重要的意義。

4、
　　 與傳統(tǒng)介電型電流變液相比,極性分子型電流變液具有遠(yuǎn)超于其的屈服應(yīng)力,線性的τ-E關(guān)系和截然不同的尺寸效應(yīng)。傳統(tǒng)的介電型電流變效應(yīng)是由兩個(gè)介電顆粒之間的相互作用導(dǎo)致的,已經(jīng)得到了很好的理論解釋。極性分子型電流變液顆粒是由極性分子包裹高介電常數(shù)的介電核所構(gòu)成的。已有的理論不能很好的解釋已報(bào)道的多種極性分子型電流變液。
　　 基于已報(bào)導(dǎo)的對(duì)介電核-極性分子殼層顆粒結(jié)構(gòu)的極性分子型電流變液的物理參量與特性的實(shí)驗(yàn)研究,我們

5、選取了合理的物理參量,用有限元方法計(jì)算了極性分子型電流變液顆粒間的局域電場(chǎng)分布。計(jì)算發(fā)現(xiàn)在局域場(chǎng)下,顆粒最表層的極性分子可以沿電場(chǎng)方向發(fā)生取向極化,進(jìn)而增強(qiáng)顆粒間的局域電場(chǎng),從而使取向極化達(dá)到飽和。通過(guò)對(duì)近鄰極性分子型電流變液顆粒飽和取向極化層間的相互作用能的計(jì)算,可以得到極性分子性電流變液的屈服應(yīng)力。我們對(duì)已報(bào)道的材料選取了對(duì)應(yīng)實(shí)際的物理參量做了理論計(jì)算,計(jì)算的τ-E曲線和實(shí)驗(yàn)曲線符合得很好。這表明近鄰顆粒間,飽和取向極化的表面極性分

6、子層間的相互作用,是巨電流變液現(xiàn)象的根源。
　　 我們對(duì)極性分子型電流變液的進(jìn)一步理論研究表明,極性分子性電流變液只在低頻外加場(chǎng)下起作用(＜10-3HZ)。極性分子性電流變液的顆粒尺寸越小,極性分子殼層越薄,其屈服應(yīng)力越大。當(dāng)顆粒尺寸小到一定程度時(shí),極性分子取向極化剛好達(dá)不到飽和,這時(shí)屈服應(yīng)力達(dá)到最大值。當(dāng)殼層很薄至單層極性分子時(shí),極性分子型電流變液達(dá)到其屈服應(yīng)力最大值。選取尿素為極性分子,計(jì)算的屈服應(yīng)力極值為628.5KPa@

7、5KV/mm。
　　 離子型電流變體系可以作為一個(gè)定量的模型,很好的研究離子在控制膠體顆粒電相互作用中所起的作用。我們選取了80納米直徑的TiO2顆粒作為基礎(chǔ),然后在上面沉積了不同量的NaCl離子,最后再吸收不同量的水分,形成不同濃度鹽溶液薄層包覆的二氧化鈦顆粒。我們研究了顆粒和硅油混合體系在電場(chǎng)下(0-1KV)的流變行為和電導(dǎo)率,發(fā)現(xiàn)離子電流變體系的屈服應(yīng)力大大高于未經(jīng)處理的二氧化鈦電流變體系,此外,離子電流變體系在不同的離子

8、添加濃度下屈服應(yīng)力都出現(xiàn)了一個(gè)峰值。這個(gè)峰值的峰位和大小,可以很好的由離子濃度來(lái)調(diào)控。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是硅油水界面對(duì)離子的限制作用和納米顆粒對(duì)離子的吸附作用,這種作用使在離子表現(xiàn)出極化態(tài)和傳導(dǎo)態(tài)的競(jìng)爭(zhēng)。以有效介質(zhì)理論作為基礎(chǔ),結(jié)合界面對(duì)離子的限制作用,我們對(duì)此現(xiàn)象做了一個(gè)很好的理論模型。這個(gè)理論模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很好的對(duì)應(yīng)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在膠體科學(xué),材料制備,生物物理方面有潛在的應(yīng)用,所建立的理論模型對(duì)控制膠體顆粒電相互作用具有很好的指