Электрореологическая жидкость
| Статьи о |
| Электромагнетизм |
|---|
 |
| Часть серии о |
| Механика сплошных сред |
|---|
Электрореологические ( ЭР ) жидкости представляют собой суспензии чрезвычайно мелких непроводящих, но электрически активных частиц (диаметром до 50 микрометров ) в электроизолирующей жидкости . Кажущаяся вязкость этих жидкостей обратимо изменяется на порядок до 100 000 под действием электрического поля . Например, типичная жидкость скорой помощи может переходить от консистенции жидкости к консистенции геля и обратно, со временем отклика порядка миллисекунд . [1] Эффект иногда называют эффектом Уинслоу по имени его первооткрывателя, американского изобретателя Уиллиса Уинслоу, получившего патент США на этот эффект в 1947 году. [2] и написал статью, опубликованную в 1949 году. [3]
Эффект ER
[ редактировать ]Изменение кажущейся вязкости зависит от приложенного электрического поля , т.е. потенциала, деленного на расстояние между пластинами. Это изменение не является простым изменением вязкости , поэтому эти жидкости теперь известны как жидкости ER, а не под более старым термином «электровязкие жидкости». Эффект лучше описать как зависимость предела текучести при сдвиге от электрического поля . При активации жидкость ER ведет себя как пластик Бингама (тип вязкоупругого материала), предел текучести которого определяется напряженностью электрического поля. После достижения предела текучести жидкость сдвигается как жидкость , т. е. приростное напряжение сдвига пропорционально скорости сдвига (в ньютоновской жидкости предел текучести отсутствует, а напряжение прямо пропорционально сдвигу). Следовательно, сопротивление движению жидкости можно контролировать, регулируя приложенное электрическое поле.
Состав и теория
[ редактировать ]Жидкости ER — это разновидность умных жидкостей . Простую жидкость ER можно приготовить, смешав кукурузную муку с легким растительным маслом или (лучше) силиконовым маслом .
Существуют две основные теории, объясняющие этот эффект: теория межфазного натяжения или теория «водяного моста». [4] и электростатическая теория. Теория водяных мостиков предполагает трехфазную систему, частицы содержат третью фазу, которая представляет собой другую жидкость (например, воду), несмешивающуюся с жидкостью основной фазы (например, маслом). Без 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. Когда применяется электрическое поле, третья фаза перемещается к одной стороне частиц за счет электроосмоса и связывает соседние частицы вместе, образуя цепочки. Эта цепная структура означает, что жидкость ER стала твердой. Электростатическая теория предполагает наличие всего лишь двухфазной системы, в которой диэлектрические частицы образуют цепочки, ориентированные под действием электрического поля, аналогично тому, как работают магнитореологические жидкости (MR). Жидкость ER была создана с твердой фазой, состоящей из проводника, покрытого изолятором. [5] Эта жидкость ER явно не может работать по модели водяного моста. Однако, хотя и показано, что некоторые жидкости ER действуют за счет электростатического эффекта, это не доказывает, что все жидкости ER действуют так же. Преимущество наличия жидкости ER, которая действует на основе электростатического эффекта, заключается в устранении тока утечки, т.е. потенциально отсутствует постоянный ток . Конечно, поскольку устройства ER электрически ведут себя как конденсаторы , а основным преимуществом эффекта ER является скорость реакции, переменного тока следует ожидать .
Частицы электрически активны. Они могут быть сегнетоэлектрическими или, как уже говорилось выше, изготовленными из проводящего материала, покрытого изолятором , или из электроосмотически активных частиц. В случае сегнетоэлектрика или проводящего материала частицы будут иметь высокую диэлектрическую проницаемость . Здесь может возникнуть некоторая путаница относительно диэлектрической проницаемости проводника , но «если материал с высокой диэлектрической проницаемостью поместить в электрическое поле, величина этого поля будет заметно уменьшена в объеме диэлектрика» (см. главная страница: Диэлектрическая проницаемость ), а поскольку в идеальном проводнике электрическое поле равно нулю, то в этом контексте диэлектрическая проницаемость проводника бесконечна.
Еще одним фактором, влияющим на эффект ЭР, является геометрия электродов . Введение электродов с параллельными канавками показало небольшое увеличение эффекта ЭР, но перпендикулярно. [ нужны разъяснения ] рифленые электроды удваивали эффект ER. [6] Гораздо большее увеличение эффекта ЭР можно получить, покрыв электроды электрически поляризующимися материалами. Это превращает обычный недостаток диэлектрофореза в полезный эффект. Это также способствует снижению токов утечки в жидкости ER. [7]
Гигантская электрореологическая (ГЭР) жидкость была открыта в 2003 году. [8] и способен поддерживать более высокий предел текучести, чем многие другие жидкости ER. Жидкость GER состоит из мочевиной , покрытых наночастиц бария и титана оксалата , суспендированных в силиконовом масле . Высокий предел текучести обусловлен высокой диэлектрической проницаемостью частиц, малым размером частиц и покрытием из мочевины . Еще одним преимуществом ГЭР является то, что связь между напряженностью электрического поля и пределом текучести становится линейной после того, как электрическое поле достигает 1 кВ/мм. GER представляет собой жидкость с высоким пределом текучести, но с низкой напряженностью электрического поля и низкой плотностью тока по сравнению со многими другими жидкостями ER. Порядок приготовления суспензии приведен в . [8] Основной проблемой является использование щавелевой кислоты для приготовления частиц, поскольку это сильная органическая кислота .
Приложения
[ редактировать ]Обычно жидкости ER применяются в быстродействующих гидравлических клапанах. [9] и муфты с расстоянием между пластинами порядка 1 мм и приложенным потенциалом порядка 1 кВ. Говоря простыми словами, при приложении электрического поля гидроклапан ER закрыт или диски муфты ER сцеплены между собой, при снятии электрического поля гидроклапан ER открыт или диски сцепления расцеплены. Другие распространенные области применения - тормоза ER. [10] (представьте себе тормоз как сцепление с одной фиксированной стороной) и амортизаторы [11] (которые можно рассматривать как закрытые гидравлические системы, в которых амортизатор используется для прокачки жидкости через клапан).
Есть много новых применений этих жидкостей. Потенциальное применение – точная абразивная полировка. [12] а также в качестве тактильных контроллеров и тактильных дисплеев. [13]
Также было предложено иметь потенциальное применение жидкости ER в гибкой электронике , при этом жидкость включена в такие элементы, как сворачиваемые экраны и клавиатуры, в которых свойства жидкости изменять вязкость позволяют свертываемым элементам становиться жесткими для использования и гибкими для сверните и уберите для хранения, когда он не используется. Motorola подала заявку на патент на приложения для мобильных устройств в 2006 году. [14]
Проблемы и преимущества
[ редактировать ]Основная проблема заключается в том, что жидкости ER представляют собой суспензии, поэтому со временем они имеют тенденцию оседать, поэтому современные жидкости ER решают эту проблему, например, путем согласования плотностей твердых и жидких компонентов или использования наночастиц, что приводит жидкости ER в параллельно развитию магнитореологических жидкостей . Другая проблема заключается в том, что напряжение пробоя воздуха составляет ~ 3 кВ/мм, что близко к электрическому полю, необходимому для работы устройств ЭР.
Преимущество состоит в том, что устройство ER может контролировать значительно большую механическую мощность, чем электрическая мощность, используемая для управления эффектом, т.е. оно может действовать как усилитель мощности. Но главное преимущество – это скорость реагирования. Есть несколько других эффектов, способных так быстро контролировать такое большое количество механической или гидравлической энергии.
К сожалению, увеличение кажущейся вязкости, наблюдаемое у большинства электрореологических жидкостей, используемых в режимах сдвига или потока, относительно ограничено. Жидкость ER меняется из ньютоновской жидкости в частично кристаллическую «полутвердую кашу». Однако почти полный переход фазы из жидкой в твердую фазу может быть получен, если электрореологическая жидкость дополнительно испытывает сжимающее напряжение. [15] Этот эффект использовался для создания электрореологических дисплеев Брайля. [16] и очень эффективные сцепления. [17]
См. также
[ редактировать ]- Механика сплошных сред
- Эффект Дебая – Фалькенхагена
- Электроактивные полимеры
- Электроадгезия
- Электровязкостные эффекты
- Феррожидкость
- Гидравлическая механика
- Магнитореологическая жидкость
- Электросмачивание
- Умная жидкость
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Ханиче, Азаде; Минцопулос, Дионисий (июнь 2008 г.). «Оценка электрореологических жидкостных демпферов для применения в условиях 3-Т МРТ» (PDF) . Транзакции IEEE/ASME по мехатронике . 3. 13 (3). и др.: 286–294. дои : 10.1109/TMECH.2008.924043 . S2CID 14188698 . Архивировано из оригинала (PDF) 22 июля 2014 г. Проверено 12 октября 2016 г.
- ^ Патент США 2 417 850 : Уинслоу, WM: «Метод и средства преобразования электрических импульсов в механическую силу», 25 марта 1947 г.
- ^ Уинслоу, Уиллис М. (1949). «Индуцированное расслоение суспензий». Дж. Прил. Физ . 20 (12): 1137–1140. Бибкод : 1949JAP....20.1137W . дои : 10.1063/1.1698285 .
- ^ Стэнгрум, Дж. Э. (1983). «Электрореологические жидкости». Физика в технике . 14 (6): 290–296. Бибкод : 1983PhTec..14..290S . дои : 10.1088/0305-4624/14/6/305 .
- ^ Тэм, Вайоминг; Йи, GH; Вэнь, В; Ма, Х; Шэн, П. (апрель 1997 г.). «Новая электрореологическая жидкость: теория и эксперимент» (PDF) . Физ. Преподобный Летт . 78 (15): 2987–2990. Бибкод : 1997PhRvL..78.2987T . doi : 10.1103/PhysRevLett.78.2987 .
- ^ Георгиадес, Г; Оядиджи, СО (2003). «Влияние геометрии электродов на работу клапанов электрореологической жидкости». Журнал интеллектуальных материальных систем и структур . 14 (2): 105–111. дои : 10.1177/1045389X03014002006 . S2CID 110195091 .
- ^ Монкман, Дж.Дж. (1991). «Добавление твердых структур к электрореологическим жидкостям». Журнал реологии . 35 (7). Общество реологии: 1385–1392. Бибкод : 1991JRheo..35.1385M . дои : 10.1122/1.550237 . ISSN 0148-6055 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Вэнь, В; Хуанг, X; Ян, С; Лу, К; Шэн, П. (ноябрь 2003 г.). «Гигантский электрореологический эффект в суспензиях наночастиц». Природные материалы . 2 (11): 727–730. Бибкод : 2003NatMa...2..727W . дои : 10.1038/nmat993 . ПМИД 14528296 . S2CID 6416226 .
- ^ Симмондс, AJ (июль 1991 г.). «Электрореологические клапаны в гидравлическом контуре». Труды IEE Теория и приложения D-управления . 138 (4): 400–404. дои : 10.1049/ip-d.1991.0054 .
- ^ Семена, М; Хобсон, Г.С.; Тозер, РЦ; Симмондс, AJ (сентябрь 1986 г.). «Электрореологический тормоз, управляемый напряжением». Учеб. IASTED Межд. Симп. Измерение, сиг. Учеб. и Контроль . Таормина, Италия: ACTA Press. С. Статья № 105–092–1.
- ^ Стэнвей, Р.; Спростон, Дж.Л.; Эль-Вахед, АК (август 1996 г.). «Применение электрореологических жидкостей для контроля вибрации: обзор». Умный Мэтр. Структурировать . 5 (4): 464–482. Бибкод : 1996SMaS....5..464S . дои : 10.1088/0964-1726/5/4/011 . S2CID 250745595 .
- ^ КИМ ВБ; ЛИ С.Дж.; КИМ Ю.Дж.; ЛИ ЭС (2003). «Электромеханический принцип электрореологического полирования жидкостью» . Международный журнал станков и производства . 43 (1). Кидлингтон, Великобритания: Elsevier: 81–88. дои : 10.1016/S0890-6955(02)00143-8 .
- ^ Лю, Ю; Дэвидсон, Р; Тейлор, П. (2005). Флатау, Элисон Б. (ред.). «Исследование сенсорной чувствительности тактильного дисплея на основе жидкости ER». Труды SPIE . Умные конструкции и материалы 2005: Умные конструкции и интегрированные системы. 5764 : 92–99. Бибкод : 2005SPIE.5764...92L . дои : 10.1117/12.598713 . S2CID 109965266 .
- ^ «Складной/раскладывающийся телефон от Motorola» . unwiredview.com . 25 января 2008 г.
- ^ Монкман, Дж.Дж. (14 марта 1995 г.). «Электрореологический эффект при сжимающем напряжении». Журнал физики D: Прикладная физика . 28 (3). Издательство ИОП: 588–593. Бибкод : 1995JPhD...28..588M . дои : 10.1088/0022-3727/28/3/022 . ISSN 0022-3727 . S2CID 250762153 .
- ^ Монкман, Дж.Дж. (1992). «Электрореологический тактильный дисплей». Присутствие: Телеоператоры и виртуальные среды . 1 (2). MIT Press – Журналы: 219–228. дои : 10.1162/pres.1992.1.2.219 . ISSN 1054-7460 . S2CID 32555319 .
- ^ Монкман, Дж.Дж. (1997). «Использование сжимающего напряжения в электрореологической муфте». Мехатроника . 7 (1). Эльзевир Б.В.: 27–36. дои : 10.1016/s0957-4158(96)00037-2 . ISSN 0957-4158 .
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
