电流变液光学性能的研究

余南辉　范吉军　张永林　王旺平　曹梅丽

【摘 要】本文研究了由淀粉和硅油组成的电流变液的光学特性，在不同外加电场作用下针对不同浓度的淀粉电流变液进行了透光率的测量。实验结果表明，透光率随电场强度的增加先增大后减小。电流变液浓度高时达到最大透射光强所需的电场强度小，而浓度低时达到最大透射光强所需的电场强度大。

【关键词】电流变液；光电流；透射率

0 引言

电流变液（Electrorheological Fluids），在通常条件下是一种由介电微粒与绝缘液体构成的悬浮液，在外电场作用下，电流变液能在瞬间发生相变，由液态变成一种粘度较大的类固态物质；撤去电场后，体系又迅速恢复到原来的液态，其响应时间为毫秒量级。这种变化不仅迅速、可逆，而且连续、可调。在电场作用下，颗粒沿电场方向排列成链柱状结构是电流变宏观行为的微观起源。这种结构的转变不仅影响力学性能，对电流变液的电学、光学、电磁学、声学等性质均有显著影响。Zhao等研究了电流变液的衍射、透射、近红外等光学特性以及对微波的透射和反射的可调控性[1-6]。本文研究了在外加电场作用下淀粉电流变液的电光效应，测量了不同浓度的淀粉电流变液在不同外加电场作用下透射光强的变化。

1 实验

1.1 实验材料

本实验采用的电流变液试样为淀粉和硅油组成的悬浮液，将淀粉加入硅油中搅动均匀，配制成乳白色悬浮液。本实验共配制三种浓度试样，质量百分比分别为：0.5%，0.75% 和1.0%。

1.2 实验装置与内容

实验装置如图1所示，从左至右由激光器、起偏器P、高压直流电源、检偏器A以及电光检测器构成。

电流变液试样放于容器盒中，容器盒为长方体塑料盒，两铜片电极置于容器盒相对两侧面上，电极间距为13mm，电极足够宽，可以忽略边缘场的影响。可调高压直流电源与电极相接。电光检测器用于检测透过电流变液试样后产生的光电流。两偏振片P和A的透振方向互相垂直，电极方向与两偏振片分别垂直，不加试样时没有光线射出这对正交的偏振片。放入电流变液试样后，在零电场作用下，没有光线透过这对偏振片；当给试样加上适当大小的电场时，就有光线透过这个光学系统。

在本实验中，通过改变淀粉电流变液试样两端电压，观察光强指示变化，来探讨其中的变化规律。实验中电压每隔一千伏进行一次检测，同时考虑到外界扰动，每隔一秒记录一个数据，共记录五组数据。

2 实验结果与分析

三种浓度的淀粉电流变液试样的 I-E 曲线分别如图2、3、4所示，横坐标为所加电场大小，纵坐标为检测到的光电流大小。它们显示了透射光随电场强度变化而变化的情况。

图2中，淀粉电流变液试样浓度为0.5%，电场强度较低时，曲线上升比较平缓，近似线性变化；电场强度达到0.6至0.7kV/mm时，曲线陡然上升，直至达到最大值，然后开始急剧下降。

从图3可以看出，对于浓度为0.75%的试样，电场强度在大约0.3kV/mm以前，曲线上升比较缓慢，0.3kV/mm以后曲线陡然上升，光电流在0.5kV/mm左右达到最大值，然后开始下降。

由图4可知，当试样浓度为1.0%时，电场强度到达大约0.15kV/mm以后，曲线上升较为迅速，光电流在0.4kV/mm左右达到最大值，然后开始下降，下降速度较之前平缓。

3 讨论

电场强度较低时，光电流随电场强度增加而上升的幅度较平缓。随着电场强度的增加，当电场强度达到某一定值时，光电流随电场强度增加而急剧度上升，近似二次曲线。光电流达到最大值后，光电流随电场强度的增加急剧下降。随着电流变液浓度的增加，I-E曲线变化趋于平缓，光电流达到最大值时的电场强度较小，而最大光电流值也较小。

这是因为，一开始电场强度不够，淀粉颗粒处于均匀分布状态，基本没有透过的光线。当电场强度逐步增大时，淀粉颗粒开始发生极化而相互作用，形成平行于电场的链或柱状结构，电流变液从各向同性变为各向异性，在电场作用下变成了双折射物质，于是在光的作用下产生双折射现象，透过的光线逐步增加，光电流逐渐增大。然后当电场强度达到某一定值时，所形成的链或柱状结构越来越规则，之间产生的缝隙越来越整齐，透过的光线快速增加，产生的光电流也随之明显增大，I-E特性曲线快速上升。随着电场强度的进一步增加，产生的链或柱状结构越来越多，便开始阻挡光线的通过，产生的光电流便减少，特性曲线下降。

浓度高的电流变液其曲线更平缓，这是因为里面的淀粉颗粒多，形成链或柱状结构而产生的缝隙比较小，并且缝隙里有可能仍有淀粉颗粒存在。因此浓度高的电流变液比浓度低的电流变液双折射现象更弱，透射光强更小。

4 总结

本文研究了淀粉电流变液的电光效应。配制了3种浓度的电流变液样本，通过电光效应实验绘制了其I-E特性曲线，得到了电流变液的透射光强随电场强度的变化规律，并对结果做了分析。结论如下：

（1）淀粉电流变液在外加电场作用下，具有电光效应。不同浓度的淀粉电流变液I-E曲线具有相同的趋势，都是先增大后减小。浓度越高，达到最大光电流所需的电场强度越低。

（2）随着浓度的增加，淀粉电流变液的电光效应减弱，光的透射率在下降。故电压对低浓度的淀粉电流变液的折射率调控作用强，而对高浓度的淀粉电流变液的折射率调控作用效果较弱。

致谢

在此感谢湖北省教育厅指导性科研计划项目（No. 2015p9）和武汉轻工大学校立科研青年项目（No. 2013y27）对本文的支持。

【参考文献】

[1]刘晓华，赵晓鹏.电流变液透光性的可调节特征[J].光学学报，1996，16（8）：1211 -1214.

[2]罗春荣，张兆东，赵晓鹏.电流变液与电一磁流变液的衍射特性[J].光子学报， 1997，26（12）：1119-1122.

[3]秦晓君，赵晓鹏.电流变液的红外特性研究[J].红外技术，1996，18（1）：34-37.

[4]赵晓鹏，张秋艳，渠长振.电流变液的旋光与椭偏光行为[J].光子学报，1999，28（12）：1071-1074.

[5]赵晓鹏，范吉军，高秀敏，曹昌年.电流变液的微波透射调控行为[J].物理学报， 2001，50（07）：1302-1307.

[6]黄敏，赵晓鹏，王宝祥，尹剑波，曹昌年.电流变液微波反射可调控性[J].物理学报，2004，53（06）：1895-1899.

[责任编辑：杨玉洁]