Электрореологические ( ER ) 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 в ответ на электрическое поле . Например, типичная ER жидкость может переходить от консистенции жидкости к консистенции геля и обратно, со временем отклика порядка миллисекунд . [1] Эффект иногда называют эффектом Уинслоу в честь его первооткрывателя, американского изобретателя Уиллиса Уинслоу, который получил патент США на этот эффект в 1947 году [2] и написал статью, опубликованную в 1949 году. [3]
Изменение кажущейся вязкости зависит от приложенного электрического поля , то есть потенциала, деленного на расстояние между пластинами. Это изменение не является простым изменением вязкости , поэтому эти жидкости теперь известны как жидкости ER, а не под старым термином электровязкие жидкости. Эффект лучше описать как зависящее от электрического поля напряжение текучести при сдвиге . При активации жидкость ER ведет себя как пластик Бингама (тип вязкоупругого материала) с пределом текучести, который определяется напряженностью электрического поля. После достижения предела текучести жидкость сдвигается как жидкость , то есть приращение напряжения сдвига пропорционально скорости сдвига (в ньютоновской жидкости предела текучести нет, а напряжение прямо пропорционально сдвигу). Следовательно, сопротивление движению жидкости можно контролировать, регулируя приложенное электрическое поле.
Жидкости ER являются типом умной жидкости . Простую жидкость ER можно сделать, смешав кукурузную муку с легким растительным маслом или (лучше) силиконовым маслом .
Существуют две основные теории, объясняющие этот эффект: теория межфазного натяжения или «водяного моста» [4] и электростатическая теория. Теория водного моста предполагает трехфазную систему, частицы содержат третью фазу, которая является другой жидкостью (например, водой), несмешивающейся с основной фазовой жидкостью (например, маслом). При отсутствии приложенного электрического поля третья фаза сильно притягивается и удерживается внутри частиц. Это означает, что жидкость ER представляет собой суспензию частиц, которая ведет себя как жидкость. При приложении электрического поля третья фаза перемещается к одной стороне частиц посредством электроосмоса и связывает соседние частицы вместе, образуя цепочки. Такая цепочечная структура означает, что жидкость ER стала твердой. Электростатическая теория предполагает только двухфазную систему с диэлектрическими частицами, образующими цепочки, выровненные с электрическим полем аналогично тому, как работают жидкости магнитореологических жидкостей (MR). Жидкость ER была создана с твердой фазой, сделанной из проводника, покрытого изолятором. [5] Эта жидкость ER явно не может работать по модели водного моста. Однако, хотя это и демонстрирует, что некоторые жидкости ER работают за счет электростатического эффекта, это не доказывает, что все жидкости ER так делают. Преимущество наличия жидкости ER, которая работает за счет электростатического эффекта, заключается в устранении тока утечки, т.е. потенциально нет постоянного тока . Конечно, поскольку устройства ER ведут себя электрически как конденсаторы , а главным преимуществом эффекта ER является скорость реакции, следует ожидать переменного тока .
Частицы электрически активны. Они могут быть сегнетоэлектрическими или, как упоминалось выше, изготовленными из проводящего материала, покрытого изолятором , или электроосмотически активными частицами. В случае сегнетоэлектрического 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 измеримо уменьшена в объеме диэлектрика» (см. главную страницу: Диэлектрическая проницаемость ), и поскольку электрическое поле равно нулю в идеальном проводнике, то в этом контексте диэлектрическая проницаемость проводника бесконечна.
Другим фактором, влияющим на эффект ER, является геометрия электродов . Введение параллельных бороздчатых электродов показало небольшое увеличение эффекта ER, но перпендикулярные [ необходимо разъяснение ] бороздчатые электроды удвоили эффект ER. [6] Гораздо большее увеличение эффекта ER может быть получено путем покрытия электродов электрически поляризуемыми материалами. Это превращает обычный недостаток диэлектрофореза в полезный эффект. Он также имеет эффект снижения токов утечки в жидкости ER. [7]
Гигантская электрореологическая (GER) жидкость была открыта в 2003 году [8] и способна поддерживать более высокие пределы текучести, чем многие другие жидкости ER. Жидкость GER состоит из покрытых мочевиной наночастиц оксалата бария -титана , взвешенных в силиконовом масле . Высокий предел текучести обусловлен высокой диэлектрической проницаемостью частиц, малым размером частиц и покрытием мочевиной . Еще одним преимуществом GER является то, что зависимость между напряженностью электрического поля и пределом текучести становится линейной после того, как электрическое поле достигает 1 кВ/мм. GER является жидкостью с высоким пределом текучести, но низкой напряженностью электрического поля и низкой плотностью тока по сравнению со многими другими жидкостями ER. Процедура приготовления суспензии приведена в [8] . Основная проблема заключается в использовании щавелевой кислоты для приготовления частиц, поскольку это сильная органическая кислота .
Обычно жидкости ER применяются в быстродействующих гидравлических клапанах [9] и муфтах , при этом зазор между пластинами составляет порядка 1 мм, а приложенный потенциал — порядка 1 кВ. Проще говоря, при приложении электрического поля гидравлический клапан ER закрывается или пластины муфты ER сцепляются вместе, при снятии электрического поля гидравлический клапан ER открывается или пластины муфты расцепляются. Другие распространенные применения — в тормозах ER [10] (представьте себе тормоз как муфту с одной зафиксированной стороной) и амортизаторах [11] (которые можно рассматривать как закрытые гидравлические системы, в которых амортизатор используется для попытки прокачать жидкость через клапан).
Существует множество новых применений для этих жидкостей. Потенциальные применения — точная абразивная полировка [12] и тактильные контроллеры и тактильные дисплеи. [13]
Жидкость ER также была предложена для потенциального применения в гибкой электронике , с жидкостью, включенной в такие элементы, как сворачиваемые экраны и клавиатуры, в которых свойства жидкости, изменяющие вязкость, позволяют сворачиваемым элементам становиться жесткими для использования и гибкими для сворачивания и втягивания для хранения, когда они не используются. Motorola подала патентную заявку на приложения для мобильных устройств в 2006 году. [14]
Основная проблема заключается в том, что жидкости ER представляют собой суспензии, поэтому со временем они имеют тенденцию осаждаться, поэтому усовершенствованные жидкости ER решают эту проблему такими способами, как согласование плотностей твердых и жидких компонентов или использование наночастиц, что приводит жидкости ER в соответствие с разработкой магнитореологических жидкостей . Другая проблема заключается в том, что пробивное напряжение воздуха составляет ~ 3 кВ/мм, что близко к электрическому полю, необходимому для работы устройств ER.
Преимущество заключается 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 реакции. Мало какие другие эффекты способны контролировать столь большие объемы механической или гидравлической мощности так быстро.
К сожалению, увеличение кажущейся вязкости, испытываемое большинством электрореологических жидкостей, используемых в режимах сдвига или потока, относительно ограничено. Жидкость ER изменяется от ньютоновской жидкости до частично кристаллической «полутвердой жижи». Однако почти полное изменение фазы жидкости на твердую может быть получено, когда электрореологическая жидкость дополнительно испытывает сжимающее напряжение. [15] Этот эффект использовался для создания электрореологических дисплеев Брайля [16] и очень эффективных сцеплений. [17]