基于电粘效应的原理来研究高性能电流变凝胶.doc

本文摘自：Journal of Intelligent Material Systems and Structures，页码：1501-1508 题名：Development of Hiah-performance ERG based on the Principle of Electro-adhesive Effect， 作者: Y. Kakinuma, T. Aoyama and H. Anzai 发表日期：2010-07-26 基于电粘效应的原理来研究高性能电流变凝胶 Y. Kakinuma, T. Aoyama and H. Anzai 系统设计工程系，庆应大学，3-14-1 横滨市Hiyoshi Kouhoku-ku区223-8522 日本 Fujikura SEI有限公司，5 -13-1 Sakurada Washimiya-machi Kitakatsushika 崎玉县340-0200，日本 摘要 电流变凝胶是一种新型实用的弹性体，它随着外加电场强度的不同而拥有多种摩擦和粘性表面属性。这种奇特的现象被称为电粘效应。由于电流变凝胶的高粘性强度，电流变凝胶在外加电场的作用下产生的剪切应力比电流变液产生的剪切应力高出大约30-40倍。然而，由于电流变凝胶的表面状况，尤其是电流变颗粒在电流变凝胶表面的密度和分布，导致电流变凝胶产生电流变效应差异很大。为了稳定和提高电流变凝胶的性能，提出了一种电场辅助成型工艺制备方法，并且它作为电流变凝胶的制备方法。在电场辅助成型工艺制备方法中，包含电流变液和凝胶固化剂的混合溶液在外加电场作用下凝胶固化。对电流变凝胶的电粘效应原理进行理论研究，通过上述制备方法研制了一种高性能电流变凝胶，通过表面观察和剪切测试来实验估计电流变凝胶的性能。结果显示：电流变颗粒高度密集排列在电流变凝胶的表面；高性能的电流变凝胶的剪切应力比传统的电流变凝胶的剪切应力高出2倍多。 关键字：电流变 聚合物 执行器 0 引言 最近，由于电流变效应以及能简化应用装置的结构，电流变/磁流变弹性体的发展在智能流体领域里受到广泛的研究，使弹性体在产生剪切应力时提高它的稳定性(Ross and Paul, 1993; Wang et al, 2009)。研发的电流变凝胶是一种新型实用的弹性体，它随着外加电场强度的不同而拥有多种摩擦和粘性表面属性(Kakinuma et al, 2005)。这种奇特的现象被称为电粘效应，是为了和电流变液的电流变效应相区分，电流变效应是电流变颗粒在外加电场作用下形成聚集排列而导致电流变液粘弹性能的改变， (Halsey, 1992; Wen et al.,2003)。电流变凝胶的图片如图1所示，电流变凝胶由电流变颗粒和硅橡胶组成，具有类似橡胶的结构。当对电流变凝胶施加电场时，它产生的剪切应力比电流变液产生的剪切应力高出大约30-40倍，是由于电流变凝胶在低电场(0.5-1.0kV/mm)下作用下产生高粘性强度(Kakinuma et al., 2006)。 然而，电流变凝胶产生剪切力的性能很大程度上取决于它的表面状况，尤其是表面电流变颗粒的密度和分布。为了稳定和提高电流变凝胶的性能，使得电流变颗粒高密度和精确排列在制备过程中是必要的。本次研究的目的是对电粘效应原理进行理论研究，基于估计原则来研究高性能电流变凝胶。通过先进的电场辅助成型工艺制备高性能电流变凝胶，然后通过实验第方法来估计电流变凝胶的性能。 1 电流变凝胶的结构 研发的电流变凝胶是通过硅氢化反应制备的，这种反应是氢硅树脂和不饱和烃通过Si-H键连接到分散的电流变液。这个反应在铂催化剂作用、热处理温度为100°下完成凝胶反应， 电流变弹性体颗粒(平均直径为15mm)具有双层结构，如图2所示，它包括有机丙烯树脂核心层以及无机锡氧化物的表面涂层。测量单轴压缩的电流变弹性体小球颗粒的导电率是。电流变弹性体的颗粒都具有极性，都有一种移动到负极的倾向。 图1: 0.5mm厚电流变凝胶粘在低电极上 图2： 电流变颗粒的双层结构 为了制备电流变凝胶，准备了两个铝制的平板电极在电流变凝胶过程中使用。上电极表面是经过抛光的光滑表面；下电极表面是由粗加工而形成的粗糙表面。因此，如图1所示，由于锚固效应，已凝固的电流变凝胶粘在下平板电极上。然而，如果仅仅在两平板电极之间凝胶，如图3(a)所示，电流变凝胶薄片的表面覆盖硅胶。在上述条件下制备的电流变凝胶，其表面具有高的粘性性能，并且在没有电场的情况下很容易粘着上电极。此外，施加外加电场时，电流变凝胶的黏合性能没有发生改变。为了制备一种拥有电粘效应的电流变凝胶，除去电流变凝胶表面的硅油是必要的。在凝胶以后，包含电流变液的剩余硅胶通过浸泡在乙醚中而被去除，结果是电流变凝胶变薄，电流变