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

1、在外加電場作用下,膠體顆粒會呈現(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局域電場和外加電場的相互作用,或近鄰顆粒周圍Lorentz局域電場間的相互作用。因此,研究顆粒間的Lorentz局域電場分布,對深入理解電場下軟物質(zhì)的性質(zhì)有著重要的意義。在實際體系中,因為剪切力,布朗運動的存在,膠體顆?？偸翘幱谶\動的狀態(tài),因此研究Lorentz局域場的動態(tài)響應更

2、能貼近實際體系。運用了CT原理和鈮酸鋰晶體的電光效應,我們測量了旋轉(zhuǎn)金屬顆粒間的Lorentz局域電場的動態(tài)分布。實驗發(fā)現(xiàn):隨著顆粒的轉(zhuǎn)速的提高,金屬顆粒間的Lorentz局域電場會下降,在顆粒轉(zhuǎn)速1600RPM,外加電場分別為20V/mm,30V/mm,40V/mm時,Lorentz局域電場與靜態(tài)時相比分別下降了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。
　　 應用多鏡像原理和W

3、YG理論,我們對實驗結(jié)果做了理論計算與擬合。計算表明顆粒表面極化電荷的弛豫時間在毫秒量級,隨著顆粒轉(zhuǎn)速的提高,弛豫時間呈冪指數(shù)下降。基于對實驗過程,數(shù)據(jù)的細致分析和理論模擬,發(fā)現(xiàn)顆粒在外電場下極化后,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間在毫秒量級,這樣很好的解釋了金屬顆粒間Lorentz局域場的動態(tài)行為。這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與理論解釋,對于由Lorentz局域場的響應導致的物理現(xiàn)象的實際應用有著重要的意義。

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超于其的屈服應力,線性的τ-E關(guān)系和截然不同的尺寸效應。傳統(tǒng)的介電型電流變效應是由兩個介電顆粒之間的相互作用導致的,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道的多種極性分子型電流變液。
　　 基于已報導的對介電核-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驗研究,我們

5、選取了合理的物理參量,用有限元方法計算了極性分子型電流變液顆粒間的局域電場分布。計算發(fā)現(xiàn)在局域場下,顆粒最表層的極性分子可以沿電場方向發(fā)生取向極化,進而增強顆粒間的局域電場,從而使取向極化達到飽和。通過對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算,可以得到極性分子性電流變液的屈服應力。我們對已報道的材料選取了對應實際的物理參量做了理論計算,計算的τ-E曲線和實驗曲線符合得很好。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。
　　 我們對極性分子型電流變液的進一步理論研究表明,極性分子性電流變液只在低頻外加場下起作用(＜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,其屈服應力越大。當顆粒尺寸小到一定程度時,極性分子取向極化剛好達不到飽和,這時屈服應力達到最大值。當殼層很薄至單層極性分子時,極性分子型電流變液達到其屈服應力最大值。選取尿素為極性分子,計算的屈服應力極值為628.5KPa@

7、5KV/mm。
　　 離子型電流變體系可以作為一個定量的模型,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下(0-1KV)的流變行為和電導率,發(fā)現(xiàn)離子電流變體系的屈服應力大大高于未經(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、添加濃度下屈服應力都出現(xiàn)了一個峰值。這個峰值的峰位和大小,可以很好的由離子濃度來調(diào)控。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是硅油水界面對離子的限制作用和納米顆粒對離子的吸附作用,這種作用使在離子表現(xiàn)出極化態(tài)和傳導態(tài)的競爭。以有效介質(zhì)理論作為基礎(chǔ),結(jié)合界面對離子的限制作用,我們對此現(xiàn)象做了一個很好的理論模型。這個理論模型與實驗結(jié)果有很好的對應。這個實驗發(fā)現(xiàn),在膠體科學,材料制備,生物物理方面有潛在的應用,所建立的理論模型對控制膠體顆粒電相互作用具有很好的指