多极板电流变阀应用于避震器之研究

以流动模式（flow mode)多极板之电流变阀（electrorheological valve)进行避震器阻尼力特性的研究。由于电极板的大小直接影响到流体流动的剪力及避雷器的阻尼力,因此使用多极板型式来探讨避震器的特性。设计有1－5个流道之并联及1－3个流道之串联多极板电流变阀的电流变避震器,并使用自制的电流变液进行实验。由研究结果显示,流动式并联极板之电流变避震器,一个流道之阻尼力最大,流道极板增加则阻尼力反而下降,而流动式串联多极板之电流变避震器之阻尼力则随极板数递增,故需要高阻尼力之避震器较适合使用串联多极板型式。     

极性分子型电流变液

电流变液在电场作用下软硬连续可调的奇特性质具有广泛和重要的应用价值。传统电流变液是基于颗粒极化产生的相互作用,根据介电理论预测,其剪切屈服强度的上限约为10kPa。电流变液被发明50年来,阻碍其应用的主要原因是剪切强度低。近年来发明的"极性分子型电流变液"是一类新型电流变液,其屈服强度比传统电流变液大一个数量级以上,且与电场强度呈线性关系,这一点和传统电流变液中的平方关系也明显不同。文章作者提出了极性分子在颗粒间强局域电场中的取向并与极化电荷作用的模型,成功地解释了观察到的实验现象。根据这一原理,有可能制备出屈服强度高达MPa的电流变液。     

金纳米管力学性能的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法, 研究了金纳米管沿不同晶向拉伸与压缩载荷下的力学性能, 并分析了金纳米管的半径对其力学行为的影响. 在模拟计算中, 采用镶嵌原子势描述金原子之间的相互作用. 模拟结果表明, 在拉伸及压缩过程中, 不同晶向的金纳米管力学性能相差较大, 在拉伸和压缩载荷下金纳米管<110>向的屈服强度最大; 在三个晶向<100>, <110>, <111>的金纳米管中, <100>晶向的金纳米管其屈服强度和杨氏模量都远远小于其他晶向. 研究结果还发现, 当纳米管的半径小于3.0 nm时, 金纳米管的屈服强度没有大的变化, 而当半径大于3.0 nm后, 随着半径的增大, 其屈服强度明显降低. 关键词： 分子动力学模拟 金纳米管 力学性能     

极性分子型电流变液导电机理研究

极性分子型电流变液是一种新型的电流变材料.其介电颗粒上吸附极性分子,极性分子在颗粒间强局域电场作用下发生取向是产生巨电流变效应的关键.通过对Ca—Ti—O(CTO)体系极性分子型电流变液电流密度的测量发现,其导电行为遵从Poole-Frenkel效应的规律,这是极性分子型电流变液的重要特征之一.而500 ℃处理过的CTO粉体不含极性分子,所配制的电流变液无巨电流变效应,其电流密度随外电场强度近似地呈线性关系,显示出传统电流变液特性.     

以二氧化钛前驱体为基的电流变液的成分分析和机理研究

制备了二氧化钛前驱体粉体, 它具有优良的巨电流变效应, 但不含一水草酸钙的成分. 通过X射线衍射谱、扫描电子显微镜、电感耦合等离子体光谱仪和热失重-质谱联用仪等一系列实验手段, 对二氧化钛前驱体粉体进行了表征, 发现它是非晶形态的纳米粉体, 其主要成分为TiOC₂O₄·2H₂O和TiO(OH)₂. 由二氧化钛前驱体配置的电流变液具有与钛酸钙前驱体电流变液类似的温度特征, 即 当处理温度超过160℃后, 电流变液的屈服强度会逐渐降低, 至200℃后, 巨电流变效应完全消失. 通过对比分析发现, 伴随上述巨电流变效应消失过程的化学反应是TiOC₂O₄·2H₂O 在加热过程中失去了结晶水. 这些特征在所有钛酸盐系列的电流变液中均可观察到, 因此我们推断TiOC₂O₄·2H₂O是钛酸盐系列巨电流变液中的关键物质. 关键词： 电流变液 钛酸盐 极性分子     

粗糙纳通道内流体流动与传热的分子动力学模拟研究

为研究粗糙表面对纳尺度流体流动和传热及其流固界面速度滑移与温度阶跃的影响,本文建立了粗糙纳通道内流体流动和传热耦合过程的分子动力学模型,模拟研究了粗糙通道内流体的微观结构、速度和温度分布、速度滑移和温度阶跃并与光滑通道进行了比较,并分析了固液相互作用强度和壁面刚度对界面处速度滑移和温度阶跃的影响规律. 研究结果表明,在外力作用下,纳通道主流区域的速度分布呈抛物线分布,由于流体流动导致的黏性耗散使得纳通道内的温度分布呈四次方分布. 并且,在固体壁面处存在速度滑移与温度阶跃. 表面粗糙度的存在使得流体剪切流动产生了额外的黏性耗散,使得粗糙纳通道内的流体速度水平小于光滑通道,温度水平高于光滑通道,并且粗糙表面的速度滑移与温度阶跃均小于光滑通道. 另外,固液相互作用强度的增大和壁面刚度的减小均可导致界面处速度滑移和温度阶跃程度降低. 关键词： 速度滑移 温度阶跃 流固界面 粗糙度     

1,4-丁二硫醇分子器件电输运性质的力敏特性研究

基于杂化密度泛函理论,研究了1,4-丁二硫醇分子体系的结构随电极作用力的变化及拉断过程;并利用弹性散射格林函数方法进一步计算了不同电极作用力下分子体系的电输运特性.结果显示,界面结构不同,拉断分子体系所用的拉力也不同:分子末端硫原子处于Au(111)面的空位上方时,拉断分子体系需约1.75 nN的拉力;若金电极表面存在孤立金原子与1,4-丁二硫醇分子末端的硫原子相连,拉断分子体系只需约1.0 nN的力,且伴有孤立金原子被拉出.两种情况分别与不同实验测量相符合.分子在压缩过程中发生扭曲并引起表面金原子滑移,然而压缩扭曲过程与拉伸回复过程不可逆.电极拉力约为0.7—0.8 nN时,分子体系在不同界面构型下以及在不同扭转状态下,电导都出现极小值,这与实验结论一致.分子的末端原子与电极间耦合强度随电极作用力的变化是引起分子体系电导变化的主要因素.实验在0.8 nN附近同时测得较小概率的高电导值与双分子导电有关.     

硬脂酸单分子膜上电沉积Ag膜的研究

通过电沉积方法 ,以气 /液界面上形成的硬脂酸单分子膜为模板诱导沉积金属银膜 .考察了镀液 pH值、单分子膜表面压及沉积电位对银膜形貌及结构的影响 .实验发现 ,酸性镀液的气 /液界面上形成的单分子膜不能诱导沉积银 ,而在中性和碱性镀液的气 /液界面上可以诱导银膜的生长 .当单分子膜处于液态或固态时 ,气 /液界面有银膜形成 ;液态单分子膜上的银膜生长速度较快 ,且银膜的结构一致 .随着电极电位的升高 ,银膜沉积的速度加快 ,呈环状向外生长的圆形银膜逐渐变得不规则 .将不同实验条件下的银膜转移出来 ,采用扫描电镜 (SEM )、透射电镜 (TEM )对银膜的结构与形貌进行了表征 .研究表明 ,银首先在单分子膜上异相成核 ,由八面体构型逐渐发展成星型 ,最终在气 /液界面形成具有松枝状微观结构的光亮银膜 .     

液-液两相液层间传质过程的Rayleigh-Bénard-Marangoni对流特性

传质引发的Rayleigh-Bénard-Marangoni对流(RBM对流)对化工传递过程有着显著影响.但是,已有的相关研究多集中于气-液体系,并且有限的针对液-液体系的相关研究尚缺乏对RBM对流演化及其引发的界面扰动行为的深入分析.因此,本文基于阴影法设计搭建了竖直狭缝内液-液两相液层间传质过程的RBM对流特性可视化实验平台,并实验观测了水-甲苯-丙酮三元体系中丙酮组分扩散传质时出现的RBM对流结构以及其向下层水相主体的发展演变过程,探讨了水相丙酮初始浓度、甲苯相丙酮初始浓度以及甲苯层厚度对RBM对流特性和液-液界面形貌的影响.研究表明:在Rayleigh-Taylor不稳定性作用下,水相上层密度(重力)分层"界面"下凸沉降形成波浪形丘状"界面",并随着"界面"处密度与压力失调的加剧而演变成羽状流;因羽流区"界面"不同浓度梯度引起的传质特性差异,羽状流又可以演变成弱羽状流和强羽状流两种形态;当丙酮浓度梯度增大到一定程度后,近界面处短时间内产生大量RBM对流结构,且结构间相互影响增强而聚并成对流团,并随着传质过程的进行,逐渐演变成独立的强羽状流; RBM对流强度与上下液层丙酮浓度梯度大小呈正相关关系,且液-液界面粗糙度及其非稳态波动随着丙酮浓度梯度的增加而增大.     

单向拉伸作用下Cu(100)扭转晶界塑性行为研究

应用分子动力学方法研究了在不同扭转角度下的Cu（100）失配晶界位错结构,以及不同位错结构对晶界强度的影响.模拟结果表明：小角度扭转晶界上将形成失配位错网,失配位错密度随着晶粒之间的失配扭转角度的增加而增加.变形过程中,位错网每个单元中均产生位错形核扩展.位错之间的塞积作用影响晶界的屈服强度：随着位错网格密度的增加,位错之间的塞积作用增强,界面的屈服强度得到提高.大角度扭转晶界将形成面缺陷,在变形中位错由晶界角点处形核扩展,此时由于面缺陷位错开动应力趋于一致,因此晶界的临界屈服强度趋于定值. 关键词： 扭转晶界 失配位错网 强化机理 分子动力学     

电流变液的旋光与椭偏光行为

本文研究了电流变液(ER流体)的旋光行为及椭偏光行为.激光束垂直于电场方向,利用HeNe激光器对SiO₂、Si₃N₄和硅油组成的ER流体进行测量.发现电流变液样品存在旋光现象,且对于同一种浓度的ER流体,随着电场强度的增大,旋光角度增大.在同一电场强度下,旋光角度随着浓度的增大而增大.当浓度大于某一值c₀时,旋光角度开始减小,在不同电场强度下,透过电流变液的椭圆偏振光性质不发生改变,且随着电场强度的增大,透射光强度随之增大.电流变液的旋光行为及椭偏光行为起因于在电场作用下ER流体由各向同性的液体转变为各向异性的液体.     

Electrical field-driven ripening profiles of colloidal suspensions

Electrorheological(ER) fluid is a type of smart fluid whose shear yield stress relies on the external electrical field strength. The transition of ER fluid microstructure driven by the electrical field is the reason why viscosity changes.Experimentally, the transparent electrodes are used to investigate the column size distribution where an external electric field is applied to a colloidal suspension, i.e., ER fluid is increased. The coarsening profile of ER suspensions is strongly related to electrical field strength, but it is insensitive to particle size. In addition, in a low field range the shear stress corresponding to the mean column diameter is studied and they are found to satisfy a power law. However, this dependence is invalid when the field strength surpasses a threshold value.     

An Exotic Phase Change in Dynamic Electrorheological Fluids

It is well known that constant or time-varying electric fields can induce phase changes in electrorheological(ER) fluids, from a liquid to semi-solid state, provided the field strength is larger than some critical value. We describe here an experimental and theoretical study considering yet a different class of phase changes, specifically those for an ER fluid in the presence of both shear flow and a time-varying electric field. We note that as the frequency of the field is decreased, the ER fluid will go from a liquid to an intermediate transition state, and eventually to a shear banding state. Our theoretical analysis further indicates that this phase change originates from competing effects of viscous and electrical forces. Ultimately, we conclude that it is possible to achieve various states and corresponding(desired)macroscopic properties of dynamic colloidal suspensions by adjusting the frequency of the externally applied electric field.     

固液双相电流变系统流动过程的相转变特性

考虑电流变液多粒子近程相互作用，利用等效平板电导模型，研究了电流变液流动过程相转变点的特性，并设计实验观察了电流变液中的这种相转变现象.研究结果表明，电流变液在一定压力梯度作用下发生流动，此时为双相流；当外加电场达到某一值时，电流变液中颗粒不流动，由固液双相流转变为液体单相流动，发生场控相转变，理论模拟结果与实验观察结果基本相符.阈值电场随外加压力梯度的增加而加大，随颗粒浓度的增加而减小. 关键词： 电流变液 颗粒流 相转变     

基于电流变液的可调谐负磁导率材料

通过把负磁导率材料SRR阵列置于高性能电流变液中，研究了电极加载方式、电流变液浓度、电流变液类型以及电场强度等因素对浸入电流变液中的SRR阵列谐振频率的影响. 实验表明，电极加载方式对SRR阵列的磁响应有重要的影响；在容器盒中充满电流变液之后SRR阵列的谐振频率往低频发生了移动，并且可以通过改变外加电场强度来调节，最大的调节范围为130MHz. 数值计算结果表明SRR阵列的有效磁导率在谐振频率附近为负值，并且有效磁导率为负的频率范围也可以通过改变外加电场强度来调节. 关键词： 负磁导率材料 谐振频率 电流变液     

Magnetohydrodynamic Electroosmotic Flow with Patterned Charged Surface and Modulated Wettability in a Parallel Plate Microchannel*

This paper investigates the magnetohydrodynamic (MHD) electroosmotic flow (EOF) of Newtonian fluid through a zeta potential modulated parallel plate microchannel with patterned hydrodynamic slippage. The driven mechanism of the flow originates from the Lorentz force generated by the interaction of externally imposed lateral electric field $E_y$ and vertical magnetic field $B_z$ and electric field force produced by an externally applied electric field $E_x$. It is assumed that the wall zeta potential and the slip length are periodic functions of axial coordinate $x$, an analytical solution of the stream function is achieved by utilizing the method of separation of variables and perturbation expansion. The pictures of streamlines are plotted and the vortex configurations produced in flow field due to patterned wall potential and hydrodynamic slippage are discussed. Based on the stream function, the velocity field and volume flow rate are obtained, which are greatly depend on some dimensionless parameters, such as slip length $l_s$, electrokinetic width $\lambda$, the amplitude $\delta$ of the patterned slip length, the amplitude $m$ of the modulated zeta potential and Hartmann number $Ha$. The variations of velocity and volume flow rate with these dimensionless parameters are discussed in details. These theoretical results may provide some guidance effectively operating micropump in practical nanofluidic applications.     

An improved model of ER fluids in squeeze-flow through model updating of the estimated yield stress

In the squeeze-flow mode of operation, electrorheological (ER) fluid is placed between two electrodes, which are free to translate in a direction roughly parallel to the direction of the applied electric field. Consequently, the ER fluid is subjected to alternate tensile and compressive strokes and shearing of the fluid also occurs. Available displacements are small but large forces are available from compact devices and there are many potential applications, notably in vibration isolation.The present authors have spent several years developing mathematical models to account for the observed behaviour of ER fluids in squeeze-flow. Previous attempts at modelling squeeze-flow behaviour have been partially successful but there have always been discrepancies. These discrepancies have generally been attributed to the difficulty of estimating the yield stress developed within the ER fluid when an electric field is applied.In the present paper, the authors describe a new approach in which the yield stress is determined iteratively by minimizing the difference between observed and predicted values of the transmitted force. Using this technique, force/displacement and force/velocity plots are predicted and compared with values from an experimental facility. It is shown that agreement between model predictions and experimental observation is excellent and significantly better than those obtained using existing models.     

电流变液微波反射可调控性

研究了纳米二氧化钛包覆高岭土和钇掺杂钛酸钡两种电流变液的微波反射行为.实验发现，在垂直于微波传播方向电场作用下，两种电流变液微波反射系数均随电场强度的增大而增大；钇掺杂钛酸钡电流变液微波反射系数变化幅度比二氧化钛包覆高岭土电流变液宽，并且电场调节的能力随浓度的增加有减弱的趋势.对钇掺杂钛酸钡电流变液存在一个临界浓度，低于这个浓度，电场的调控能力随电场强度的增加而增大，高于这个浓度，电场的调控能力随电场的增加先增大后减小.另外，二氧化钛包覆高岭土电流变液反射回波相位随电场强度的增大出现最大值后逐渐减小趋于平 关键词： 电流变液 微波反射 相位     

Adaptive optical properties of ER fluid incorporating composite particles

Electrorheological (ER) fluid is one of the popular materials used in smart materials and structures. The material properties of ER fluid can be changed markedly while an external electric field is imposed on ER fluid domain. In this paper, the optical properties of ER suspensions consisting of composite particles dispersed in silicone oil are investigated. Both dc and ac electric fields are utilized to be imposed on ER fluid. The transmissivity of light through ER fluid under various electric fields is detected and analyzed. It is shown that the transmissivity of light increases with the increasing electric field strength and time. The change of transmissivity is caused by the formation of particle chains. The higher the particle concentration, the faster the change occurs. When an ac electric field is applied, the transmissivity can be affected by the frequency of electric field.