新型电流变液中水分子形态的理论研究

Electrorheological(ER) fluids composed of high dielectric constant particles and insulated fluids are new kinds of materials. ER fluids are useful in industry and it can predigest equipment and decrease its weight which can decrease consumed energy. . New ER fluids have high cut stress which can be used in practice. It is different from classics ER fluids and is effected by water molecules. This phenomena can’t be explained by water bridge model and classical dielectric model. Professor Lu of Chinese academy science of Physics institute put forward polar molecule model to explain it. But polar molecule models is a primary model, we don’t know water molecule structure and how it affects the stress of ER fluids. So it’s a necessary problem needs to be solved.

电流变液是由高介电常数颗粒均匀分散在低介电常数的绝缘液体中所组成的一种智能型材料。电流变效应在工业上有很大的应用价值。电流变液的应用可以大大简化装置的构造，减轻装置的重量，节约能耗，符合当今社会节能环保的主题要求。. 新型电流变液具有很高的屈服强度,能够满足实际应用的需要。与纯介电型电流变液不同的是水分子对剪切强度的影响很大。鉴于这种新型电流变液的作用机理难以用纯介电模型和水桥模型来解释，物理所的陆坤权教授提出一个由极性分子在颗粒间隙处集结和取向的模型，并将这种新型电流变液命名为极性分子型电流变液。这个模型还处于初级阶段，许多相关问题还有待进一步澄清。例如水分子在电流变液中的存在形态是怎样的？水分子是如何影响电流变液的剪切强度的？因此，新型电流变液中的水分子存在的结构和形态有必要做进一步的深入研究。

电流变效应是指电流变液体，在电场作用和控制下，液体的流动性发生变化的现象。电流变液一般是绝缘液体和高介电常数的介质颗粒混合的混合物。在电场的作用下，它的剪切强度或者硬度能连续迅速可逆的发生变化。极性分子型电流变液是1998年之后发现的新型电流变液。该电流变液的剪切强度超过了传统电流变液的预言的极限，能够达到工业应用的要求。极性分子型电流变液的剪切强度不能用介电模型，水桥模型，双电层模型等解释。该电流变液的机理一直是当今科学研究的一个重要课题。在中国科学院物理研究所等研究机构的实验研究表明：水分子是一种重要成分，对电流变效应起到重要的作用。本项目研究了电流变液局域电场强度和该强电场中的水分子形态。研究表明：介质颗粒之间的局域电场强度比外加电场强102-103倍。其强度达到108-109V/m。具体和介质颗粒的大小和颗粒的介电常数有关。在相同颗粒间距和颗粒大小的情况下，其局域电场强度随介电常数的增加而增加。但是当相对介电常数达到300以上时，其变化缓慢，趋于一个常数。另外，局域电场强度还和颗粒链中颗粒的个数有关。一般而言，电场强度随颗粒链中颗粒数的增加而增大。但是当颗粒数达到30时，颗粒数目的增加对局域电场的影响可以忽略不计。然后用第一性原理的办法计算了在强局域电场中孤立水分子的模型参数。计算表明，强局域电场中，水分子的氢键变长，其两氢键的夹角变小，水分子模型必须进行修正才能使用分子动力学研究大量水分子的形态结构。最后计算了两个及两个以上水分子的超极化态。两个水分子组成的水分子对在电场达到 1.594×109V/m 结构发生突变，处于超极化态。同样，三分子环转结构，四个分子方形结构，及五分子环状结构都会在局域电场中破坏氢键，形成超极化态结构。水分子在局域电场中形成超极化态是必然现象。从分子对在强电场中相互作用力的计算可以看出，超极化态是形成极性分子型巨电流变效应的主要原因。分子动力学的办法计算64个水分子会形成超极化态。但是大量水分子超极化态的强度和超极化态水分子与介质颗粒表面的作用并没有详细研究。其具体细节需要作进一步的研究。电流变液中的水分子与其它分子的相互作用也是研究的一个重要的方面，下一步根据实验结果和第一性原理模拟研究结果进行详细的研究。.