余南輝　范吉軍　張永林　王旺平　曹梅麗

【摘 要】本文研究了由淀粉和硅油組成的電流變液的光學(xué)特性，在不同外加電場作用下針對不同濃度的淀粉電流變液進行了透光率的測量。實驗結(jié)果表明，透光率隨電場強度的增加先增大后減小。電流變液濃度高時達到最大透射光強所需的電場強度小，而濃度低時達到最大透射光強所需的電場強度大。

【關(guān)鍵詞】電流變液；光電流；透射率

0 引言

電流變液（Electrorheological Fluids），在通常條件下是一種由介電微粒與絕緣液體構(gòu)成的懸浮液，在外電場作用下，電流變液能在瞬間發(fā)生相變，由液態(tài)變成一種粘度較大的類固態(tài)物質(zhì)；撤去電場后，體系又迅速恢復(fù)到原來的液態(tài)，其響應(yīng)時間為毫秒量級。這種變化不僅迅速、可逆，而且連續(xù)、可調(diào)。在電場作用下，顆粒沿電場方向排列成鏈柱狀結(jié)構(gòu)是電流變宏觀行為的微觀起源。這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變不僅影響力學(xué)性能，對電流變液的電學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)等性質(zhì)均有顯著影響。Zhao等研究了電流變液的衍射、透射、近紅外等光學(xué)特性以及對微波的透射和反射的可調(diào)控性[1-6]。本文研究了在外加電場作用下淀粉電流變液的電光效應(yīng)，測量了不同濃度的淀粉電流變液在不同外加電場作用下透射光強的變化。

1 實驗

1.1 實驗材料

本實驗采用的電流變液試樣為淀粉和硅油組成的懸浮液，將淀粉加入硅油中攪動均勻，配制成乳白色懸浮液。本實驗共配制三種濃度試樣，質(zhì)量百分比分別為：0.5%，0.75% 和1.0%。

1.2 實驗裝置與內(nèi)容

實驗裝置如圖1所示，從左至右由激光器、起偏器P、高壓直流電源、檢偏器A以及電光檢測器構(gòu)成。

電流變液試樣放于容器盒中，容器盒為長方體塑料盒，兩銅片電極置于容器盒相對兩側(cè)面上，電極間距為13mm，電極足夠?qū)?，可以忽略邊緣場的影響?？烧{(diào)高壓直流電源與電極相接。電光檢測器用于檢測透過電流變液試樣后產(chǎn)生的光電流。兩偏振片P和A的透振方向互相垂直，電極方向與兩偏振片分別垂直，不加試樣時沒有光線射出這對正交的偏振片。放入電流變液試樣后，在零電場作用下，沒有光線透過這對偏振片；當給試樣加上適當大小的電場時，就有光線透過這個光學(xué)系統(tǒng)。

在本實驗中，通過改變淀粉電流變液試樣兩端電壓，觀察光強指示變化，來探討其中的變化規(guī)律。實驗中電壓每隔一千伏進行一次檢測，同時考慮到外界擾動，每隔一秒記錄一個數(shù)據(jù)，共記錄五組數(shù)據(jù)。

2 實驗結(jié)果與分析

三種濃度的淀粉電流變液試樣的 I-E 曲線分別如圖2、3、4所示，橫坐標為所加電場大小，縱坐標為檢測到的光電流大小。它們顯示了透射光隨電場強度變化而變化的情況。

圖2中，淀粉電流變液試樣濃度為0.5%，電場強度較低時，曲線上升比較平緩，近似線性變化；電場強度達到0.6至0.7kV/mm時，曲線陡然上升，直至達到最大值，然后開始急劇下降。

從圖3可以看出，對于濃度為0.75%的試樣，電場強度在大約0.3kV/mm以前，曲線上升比較緩慢，0.3kV/mm以后曲線陡然上升，光電流在0.5kV/mm左右達到最大值，然后開始下降。

由圖4可知，當試樣濃度為1.0%時，電場強度到達大約0.15kV/mm以后，曲線上升較為迅速，光電流在0.4kV/mm左右達到最大值，然后開始下降，下降速度較之前平緩。

3 討論

電場強度較低時，光電流隨電場強度增加而上升的幅度較平緩。隨著電場強度的增加，當電場強度達到某一定值時，光電流隨電場強度增加而急劇度上升，近似二次曲線。光電流達到最大值后，光電流隨電場強度的增加急劇下降。隨著電流變液濃度的增加，I-E曲線變化趨于平緩，光電流達到最大值時的電場強度較小，而最大光電流值也較小。

這是因為，一開始電場強度不夠，淀粉顆粒處于均勻分布狀態(tài)，基本沒有透過的光線。當電場強度逐步增大時，淀粉顆粒開始發(fā)生極化而相互作用，形成平行于電場的鏈或柱狀結(jié)構(gòu)，電流變液從各向同性變?yōu)楦飨虍愋?，在電場作用下變成了雙折射物質(zhì)，于是在光的作用下產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，透過的光線逐步增加，光電流逐漸增大。然后當電場強度達到某一定值時，所形成的鏈或柱狀結(jié)構(gòu)越來越規(guī)則，之間產(chǎn)生的縫隙越來越整齊，透過的光線快速增加，產(chǎn)生的光電流也隨之明顯增大，I-E特性曲線快速上升。隨著電場強度的進一步增加，產(chǎn)生的鏈或柱狀結(jié)構(gòu)越來越多，便開始阻擋光線的通過，產(chǎn)生的光電流便減少，特性曲線下降。

濃度高的電流變液其曲線更平緩，這是因為里面的淀粉顆粒多，形成鏈或柱狀結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的縫隙比較小，并且縫隙里有可能仍有淀粉顆粒存在。因此濃度高的電流變液比濃度低的電流變液雙折射現(xiàn)象更弱，透射光強更小。

4 總結(jié)

本文研究了淀粉電流變液的電光效應(yīng)。配制了3種濃度的電流變液樣本，通過電光效應(yīng)實驗繪制了其I-E特性曲線，得到了電流變液的透射光強隨電場強度的變化規(guī)律，并對結(jié)果做了分析。結(jié)論如下：

（1）淀粉電流變液在外加電場作用下，具有電光效應(yīng)。不同濃度的淀粉電流變液I-E曲線具有相同的趨勢，都是先增大后減小。濃度越高，達到最大光電流所需的電場強度越低。

（2）隨著濃度的增加，淀粉電流變液的電光效應(yīng)減弱，光的透射率在下降。故電壓對低濃度的淀粉電流變液的折射率調(diào)控作用強，而對高濃度的淀粉電流變液的折射率調(diào)控作用效果較弱。

致謝

在此感謝湖北省教育廳指導(dǎo)性科研計劃項目（No. 2015p9）和武漢輕工大學(xué)校立科研青年項目（No. 2013y27）對本文的支持。

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[責任編輯：楊玉潔]