Введение

Электрореологические (ЭР) жидкости представляют собой суспензии чрезвычайно мелких непроводящих, но электрически активных частиц (диаметром до 50 микрометров) в электрически изолирующей жидкости. Кажущаяся вязкость этих жидкостей обратимо изменяется вплоть до 100 000 раз в ответ на воздействие электрического поля. Например, типичная ЭР-жидкость может переходить из жидкого состояния в состояние геля и обратно, при этом время отклика составляет порядка миллисекунд. Этот эффект иногда называют эффектом Уинслоу в честь его первооткрывателя, американского изобретателя Уиллиса Уинслоу, который получил патент США на этот эффект в 1947 году и опубликовал статью в 1949 году.

Эффект ЭР

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 ER-жидкости, а не устаревшим термином «электровязкие жидкости». Эффект точнее описывается как предел текучести при сдвиге, зависящий от электрического поля. При активации ER-жидкость ведет себя как пластик Бингема (тип вязкоупругого материала) с пределом текучести, определяемым напряженностью электрического поля. После достижения предела текучести жидкость течет как жидкость, то есть приращение напряжения сдвига пропорционально скорости сдвига (в ньютоновской жидкости предела текучести нет, и напряжение прямо пропорционально скорости сдвига). Таким образом, сопротивление движению жидкости можно контролировать, регулируя приложенное электрическое поле.

Состав и теория

Электрореологические (ER) жидкости – это тип интеллектуальных жидкостей. Простую ER-жидкость можно получить, смешав кукурузный крахмал с легким растительным маслом или (лучше) силиконовым маслом. Существуют две основные теории, объясняющие этот эффект: теория поверхностного натяжения или «водяного мостика» и электростатическая теория. Теория водяного мостика предполагает трехфазную систему, где частицы содержат третью фазу – другую жидкость (например, воду), несмешивающуюся с жидкостью основной фазы (например, маслом). В отсутствие приложенного электрического поля третья фаза сильно притягивается к частицам и удерживается внутри них. Это означает, что ER-жидкость 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. Эта цепочечная структура означает, что ER-жидкость становится твердым телом. Электростатическая теория предполагает двухфазную систему, в которой диэлектрические частицы образуют цепочки, выровненные вдоль электрического поля аналогично тому, как работают магнитореологические (MR) жидкости. Была создана ER-жидкость, в которой твердая фаза состоит из проводника, покрытого изолятором. Эта ER-жидкость явно не может функционировать по модели водяного мостика. Однако, хотя это демонстрирует, что некоторые ER-жидкости работают за счет электростатического эффекта, это не доказывает, что все ER-жидкости работают таким образом. Преимущество ER-жидкости, работающей на основе электростатического эффекта, заключается в отсутствии тока утечки, то есть потенциально отсутствует постоянный ток. Конечно, поскольку ER-устройства электрически ведут себя как конденсаторы, а главное преимущество ER-эффекта – скорость отклика, следует ожидать переменного тока. Частицы электрически активны. Они могут быть ферроэлектрическими или, как упоминалось выше, изготовлены из проводящего материала, покрытого изолятором, или представлять собой электроосмотически активные частицы. В случае ферроэлектрического или проводящего материала частицы будут обладать высокой диэлектрической проницаемостью. Здесь может возникнуть путаница относительно диэлектрической проницаемости проводника, но «если материал с высокой диэлектрической проницаемостью помещен в электрическое поле, величина этого поля будет заметно уменьшена в объеме диэлектрика» (см. основную страницу: Диэлектрическая проницаемость), и поскольку электрическое поле равно нулю в идеальном проводнике, то в данном контексте диэлектрическая проницаемость проводника бесконечна. Другим фактором, влияющим на ER-эффект, является геометрия электродов. Введение электродов с параллельными канавками показало незначительное увеличение ER-эффекта, а электроды с перпендикулярными канавками удвоили ER-эффект. Значительно большее увеличение ER-эффекта можно получить, покрыв электроды электрически поляризуемыми материалами. Это превращает обычный недостаток диэлектрофореза в полезный эффект. Это также снижает токи утечки в ER-жидкости. Гигантская электрореологическая (GER) жидкость была открыта в 2003 году. Основная проблема заключается в использовании щавелевой кислоты для приготовления частиц, поскольку это сильная органическая кислота.

Приложения

Обычно ER-жидкости применяются в быстродействующих гидравлических клапанах и сцеплениях, где зазор между пластинами составляет около 1 мм, а приложенное напряжение – около 1 кВ. Говоря проще, при подаче электрического поля гидравлический клапан ER закрывается или пластины ER-сцепления блокируются, а при снятии поля клапан открывается или пластины сцепления разъединяются. Другие распространенные области применения – ER-тормоза (тормоз можно рассматривать как сцепление с одной неподвижной стороной) и амортизаторы (которые можно представить как замкнутые гидравлические системы, где удар используется для прокачки жидкости через клапан). Существует множество новых способов применения этих жидкостей. К потенциальным относятся точная абразивная полировка, а также использование в качестве тактильных контроллеров и тактильных дисплеев. Также было предложено использовать ER-жидкость в гибкой электронике, например, для создания скручиваемых экранов и клавиатур, где способность жидкости изменять вязкость позволяет скручиваемым элементам становиться жесткими при использовании и гибкими для скручивания и убирания при хранении. В 2006 году компания Motorola подала заявку на патент для применения в мобильных устройствах.

Проблемы и преимущества

Основная проблема заключается в том, что ER-жидкости являются суспензиями, поэтому со временем они склонны к осаждению. Передовые ER-жидкости решают эту проблему, например, путем подбора плотностей твердых и жидких компонентов или использования наночастиц, что приближает ER-жидкости к развитию магнитореологических жидкостей. Другая проблема состоит в том, что пробивное напряжение воздуха составляет около 3 кВ/мм, что близко к электрическому полю, необходимому для работы ER-устройств. Преимущество заключается в том, что ER-устройство способно управлять значительно большей механической мощностью, чем электрическая мощность, используемая для управления эффектом, то есть может выступать в качестве усилителя мощности. Но главное преимущество – это скорость отклика. Существуют немногие другие эффекты, способные так быстро контролировать такие большие объемы механической или гидравлической мощности. К сожалению, увеличение кажущейся вязкости, наблюдаемое у большинства электрореологических жидкостей при сдвиге или течении, относительно невелико. ER-жидкость переходит из ньютоновской жидкости в частично кристаллическую "полутвердую суспензию". Однако почти полный переход из жидкого в твердое состояние может быть достигнут при дополнительном воздействии на электрореологическую жидкость сжимающего напряжения. Этот эффект был использован для создания электрореологических дисплеев Брайля и высокоэффективных муфт.