在常溫常壓下，物質(zhì)可分為固體、液體和氣體三種狀態(tài)，也稱為三個相。如水蒸氣、水和冰，就是三個相。任何人都容易使用一臺冰箱和一個低淺容器，將水（液體）凍成冰（固體），然后又可再取出冰（固體）來加熱，使其化成水（液體）。但是，你能在幾秒鐘或更短的時間內(nèi)，將液體固化，然后又將其液化嗎？

　　“T—1000型終結(jié)者”，是在電影“終結(jié)者之二：世界末日（Terminator 2:Judgment Day）”里出現(xiàn)的科學幻想機器人。它幾乎是不可摧毀的，能夠毫不費力地使液態(tài)和固態(tài)相互轉(zhuǎn)換。它的液態(tài)金屬皮膚，如果被子彈射穿，就能馬上使彈孔融合；
如果被打成碎片，也能馬上熔化，并再凝結(jié)恢復為原樣。這樣的科學幻想能實現(xiàn)嗎？電流變或磁流變液體，正好為影片制作者的這一科學幻想，提供了實現(xiàn)的可能。

　　本文將介紹能實現(xiàn)這種科學幻想的智能性材料—電流變液體和磁流變液體。它們是一種在電場或磁場里，可發(fā)生狀態(tài)變化的物質(zhì)。根據(jù)其所受場強的不同，它們可像水一樣流動，也可像蜂蜜那樣黏稠，還可以像骨膠一樣固化。而這種物質(zhì)，從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)，所需時間又很短。

　　磁流變制動器的小實驗

　　簡單的磁流變制動器的示意圖如下圖所示。實驗用的磁流變液體（Magnetorheological Fluids，以下簡稱MRF）由鐵屑和玉米油組成。用放大鏡能鑒別出鐵屑的單個顆粒，但其長度應(yīng)全部小于0.5毫米。MRF由按重量計的25份玉米油對100份鐵屑攬拌混合而成。桿

　　磁流變實驗器示意圖

　　由不可能被磁化的材料做成，如塑料或鋁。為更好地觀察實驗結(jié)果，可用一塑料盤與位于MRF中的桿端相連接。桿與透明塑料容器間放橡皮環(huán)，以使液體不泄漏。電磁鐵可用幾伏特的電源供電，也可用強有力的永久磁鐵來的取代電磁鐵。

　　在未施加磁場之前，桿的旋轉(zhuǎn)幾乎沒有阻力；
當磁場加上時，液體馬上就固化了，桿己很難轉(zhuǎn)動；
但一旦去除磁場，容器內(nèi)的MRF材料又立即液化，桿又可自由旋轉(zhuǎn)了。這就是花錢雖不多，卻能在幾秒鐘之內(nèi)將液體固化，然后又將其液化的磁流變制動器的小實驗。

　　電流變液體及其性能

　　美國科學家Winslow W.M.在1947年，以專利形式公布了他以8年時間研究發(fā)現(xiàn)的電流變液體（Electrorheological Fluids，以下簡稱ERF）。他將一些半導體型的固體顆粒，分散在低黏、絕緣性良好的油中，再添加一些分散劑，制得懸浮體。當加上一定的電場場強時，很薄一層ERF的表觀黏度，就能增大幾個數(shù)量級，甚至出現(xiàn)明顯的固化現(xiàn)象。當去掉電場后，液體的表觀黏度又迅速恢復原樣。后來，人們將這種可逆的黏度突變效應(yīng)，稱為電流變效應(yīng)，或Winslow效應(yīng)。

　　但對ERF引起重視，卻是20世紀80年代之后的事。這主要是人們逐漸看到了ERF，有許多可供發(fā)展的技術(shù)和工程應(yīng)用的奇異性能。這些可被利用的主要特性是：

　�。�1）在電場作用下，液體的表觀黏度或剪切應(yīng)力能有明顯的突變，可在毫秒瞬間產(chǎn)生相當于液態(tài)屬性到固態(tài)屬性間的變化。

　　（2）這種變化是可逆的，即一旦去除電場，可恢復到原來的液態(tài)。

　　（3）這種變化是連續(xù)和無級的，即在液-固、固-液的變化過程中，表觀黏度或剪切應(yīng)力是無級連續(xù)變化的。

　�。�4）這種變化是可控制的，并且控制變化的方法簡單，只需加一個電場；
所需的控制能耗也很低。因此運用微機進行自動控制有廣闊的前途。

　　由以上奇異的特性，人們將ERF稱為“智能性材料”，也有人稱它為“聰明流體”。

　　今天的電流變液體，己不再是20世紀40年代時那種較簡單的混合體。除了介電常數(shù)和黏度較低的基液、和極化特性很高的固體微粒兩種關(guān)鍵成分之外，往往還含有活化劑和分散劑。分散劑的作用，是防止微粒在無電場時相互粘合�；罨瘎┑淖饔脵C制還不完全清楚�；罨瘎�（往往使用水，有時用酒精）里含有雜質(zhì)，通常是溶解鹽。一般認為，水受油質(zhì)懸浮液排斥，而聚集在微粒表面，而溶解鹽在電場作用下被極化，其電荷增強了微粒的固有極化。

　　電流變液體是有復雜性質(zhì)的懸浮體系，是一種典型而又復雜的非牛頓流體。

　　1987年以前，ERF研究只在美、英和前蘇聯(lián)等少數(shù)國家保密速行，目前世界上己有美、英、日、德、法、俄和我國等十多個國家在進行研究。對電流變現(xiàn)象的機理，也己了解得越來越清楚，在ERF材料的選擇上也有長足的進展。對ERF的工程應(yīng)用，己提出許多誘人的設(shè)想。

　　電流變現(xiàn)象的機理

　　電流變現(xiàn)象之所以引起科學家們的極大興趣，不僅僅因為ERF這種材料具有實用的物理性能，而且還因其有錯綜復雜的結(jié)構(gòu)。當流體自由流動時，ERF中微粒的運動相互之間沒有關(guān)系；
當液體在電場作用下變成固態(tài)時，微粒連結(jié)成肉眼可見的細鏈和粗柱狀

　　左為無外加電場時，右為有外加電場時

　　微粒在電場的作用下，不論其運動方向如何，其兩極或上或下始終指向電極，從而使微粒吸合在一起，首尾相連，排列成行，構(gòu)成長鏈。這種情況，就好像鐵屑在磁場作用下沿磁力線的排列一樣。電流變液體內(nèi)的微粒鏈迅速形成，并在容器內(nèi)從一端延伸至另一端，這就是流體迅速固化的關(guān)鍵因素。

　　實驗中發(fā)現(xiàn)，柱狀體的形成要比預(yù)期的快，這與微粒的布朗運動有關(guān)。布朗運動是1827年由蘇格蘭植物學家R.布朗首先發(fā)現(xiàn)的液體內(nèi)懸浮微粒不停頓的隨機運動，其成因是微粒和大量液體分子之間的碰撞。在ERF中，懸浮微粒在受到液體分子從各方面的沖撞時，就圍繞其在鏈中的平均位置作不規(guī)則運動。因此，盡管微粒鏈總的來說可能是直線，但在某一時刻，卻因布朗運動的影響而發(fā)生彎曲。這種輕微變形，卻又增強了各鏈之間的互相吸引力，并促使各鏈聚集成柱狀體。

　　ERF在電場作用下固化后可承受機械力。像其他固體材料那樣，其發(fā)生破壞的應(yīng)力大小稱為屈服應(yīng)力。此時微粒鏈斷裂，材料開始流動。為了某種工程應(yīng)用，希望屈服應(yīng)力盡可能大些。但在研究過程中，人們還不滿意現(xiàn)有的ERF，因為它的屈服應(yīng)力不夠高。近幾年己開始研究屈服應(yīng)力更高的磁流變液體（MRF）。流變學是研究材料流動與變形的學科，深入地研究這些問題，正是流變學的研究范圍。

　　令人振奮的應(yīng)用前景

　　電或磁流變液體的應(yīng)用前景，是十分令人振奮的。己見到申請專利的元器件，有離合器、液壓閥、減振器等等。下面將就其原理作一簡單的介紹。

　　電流變離合器

　　將電流變液體充于兩個圓筒或平板之間。當ERF形成固態(tài)時，就迫使傳動軸轉(zhuǎn)動；
而當它變成液態(tài)時，就使發(fā)動機脫離傳動軸，而自由旋轉(zhuǎn)，好像處于空檔一樣。兩個筒或板之間的轉(zhuǎn)速比，也可以調(diào)節(jié)。這樣的離合器幾乎不存在零件磨損，或損壞的問題。而且這樣的離合器結(jié)構(gòu)簡單，噪音低，反應(yīng)時間僅為千分之幾秒，使純機械的離合器望塵莫及。

　　電流變減振器

　　同心圓筒固定電極閥式減振器，在同心圓筒間充滿有ERF，來源于電流變效應(yīng)的阻力，阻止了流體在同心圓筒間的流動。當活塞（內(nèi)圓筒）運動時，微機可以立即調(diào)節(jié)電極電壓，以改變ERF的黏稠度。如用在汽車上，毫秒級時間的迅速反應(yīng)，有可能在活塞運動沖程的中途，就提高了流體的黏稠度，以減緩因道路不平而造成的顛簸。隨后，流體又可變稀，再迅速復原。因此一種減振器，就可適合各種車輛和工作環(huán)境。

　　滑動平扳型減振器，是在兩滑動板間充滿ERF。來源于兩滑動板間流體電流變效應(yīng)的阻力，產(chǎn)生剪切力，并由此引起壓力增大。

　　電流變液壓閥

　　將電流變液體注入一狹縫容器中，通過電場控制REF的黏稠度，以起到節(jié)流閥和開關(guān)的作用。當ERF固化時，就使流動完全停止，從而關(guān)閉了流經(jīng)細管段的液流。這種電流變液壓通路“閥”，也可以設(shè)計成同軸圓筒型或平板型。還可將幾個ERF通路，按一定的方式組合在一起，做成特殊用途的裝置。液壓系統(tǒng)有希望采用ERF通路“閥”，而成為新的液壓系統(tǒng)，它比傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)反應(yīng)還要迅速。

　　機器人的活動關(guān)節(jié)

　　在機器人領(lǐng)域中，可用ERF制造出體積小、反應(yīng)快、動作靈活、直接用微機控制的活動關(guān)節(jié)。如今，簡易的機器人己在從事工業(yè)中的許多工作。如果有非常靈巧的電流變活動關(guān)節(jié)，就可以完成能迅速做出反應(yīng)的更復雜的事，比如說接棒球、繞精細金屬絲等�！癟—1000型終結(jié)者”那樣的科幻機器人，將會更早的出現(xiàn)。

　　目前己有人提出，尋找一種既具有電流變效應(yīng)，又具有磁流變效應(yīng)的微粒，制造電磁流變液體（EMRF）。這種粒子和懸浮液，不僅可以受電場的作用，產(chǎn)生電流變效應(yīng)；
而且還可以受磁場的作用，產(chǎn)生磁流變效應(yīng)。電流變液體、磁流變液體、電磁流變液體的研究和技術(shù)正剛剛開始，還沒有進入成熟的階段，從基礎(chǔ)理論到應(yīng)用技術(shù)，都還有許多問題有待研究解決。但可以預(yù)期：電磁流變液體這一高新技術(shù)，必將促使新一代的機電一體化器件出現(xiàn)，并會在汽車、機械、航空、航天、石油、化工和其他工業(yè)部門，得到廣泛應(yīng)用。

　　（原刊登于《力學與實踐》1998年20卷6期，作者授權(quán)天益發(fā)布）

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