全液电流变效应的制作方法

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全液电流变效应的制造方法与工艺

以小距离分开的电偶极子(即,正电荷和负电荷)可能是世界上最常见的电实体形式。电偶极矩是对系统中正电荷和负电荷的分离或带电系统整体极性的一种衡量。极性分子是指具有永久分子偶极矩的分子。例如,水分子的偶极矩为2.7D,尿素分子的偶极矩更大,为4.6D。

分子偶极子通常是随机取向或相反取向配对,其结果是不会产生净远程电场。然而,可使分子的偶极子产生不同的行为,研究发现在不同的纳米局限下水分子的有序化结构和热力学性质会发生改变,对此进行了深入研究。例如,已在水-碳纳米管(CNT)体系中观察到分子的长链,当水分子被局限在纳米尺度的疏水性平板之间时,可以在300K下形成双层冰。同样,外部施加的电场可驱动极性(亲水)分子进入非极性(疏水)相。由于非极性相的限制,入侵的极性分子倾向于形成一些有序结构,进而导致该系统的流变性能有巨大的变化。

分子偶极子可在适度的电场下在制成的纳米粒子的接触区域内排列,这导致纳米颗粒之间具有较大的粘合力。这种现象,例如分子偶极长链的形成,被确定为通常所称的巨电流变(GER)效应的微观机理。GER作用已被证明是由于在硅油链的限制效应下分子偶极长链的形成造成的。

在GER效应的范围内,尿素分子可以穿透数纳米厚的硅油层,以形成长链结构。然而,必须克服大的能量垒σ,这将导致形成长度有限的尿素长链。尿素包裹的BaTi(C2O4)2纳米粒子在硅油悬浮液中展现出比传统的ER流体的屈服应力大一个数量级的GER效果。此外,GER流体的屈服应力和电场呈线性关系,这是由本发明的ER流体和传统ER流体与电场的二次关系相当不同。这种特征性的屈服应力是由两个相邻的纳米颗粒之间的接触区域中形成的尿素偶极长链造成的。分子动力学(MD)模拟表明,在施加电场时,尿素分子长链通过穿透两侧的硅油层形成,分子偶极子沿施加电场的方向排列。此有序结构可以使在入侵的尿素分子间形成的氢键数量最大化并且使偶极场相互作用能量最小化从而克服不利的能量势垒σ。尿素长链的限制效应由硅油链通过硅油甲基和尿素分子中的某些原子的排斥的相互作用提供。间隙的两侧由长链连接,并且产生大的吸引力作用,从而导致GER效应。进行了使用各种间隙尺寸的MD模拟,以确定在具有不同间隙尺寸的间隙中心寻找尿素分子的可能性。在9纳米间隙处的可能性降低到几乎为零。因此,物理上来看分子桥应该只在一个较小的间隙尺寸被观察到。



技术实现要素:

本发明主题涉及用于产生电流变(ER)效应的装置,该装置包括:上部电压电极和下部电压电极,所述上部电压电极和所述下部电压电极各自被吸水性材料覆盖,并且所述上部电压电极和所述下部电压电极上吸收有水;由层形成且位于所述上部电压电极和所述下部电压电极之间的间隙中的流体通道;位于所述电压电极中的一个电压电极上的压力传感器;使硅油流动通过所述流体通道的泵;和配置为向所述上部电压电极施加电压的电压源。

在另一个实施方案中,本发明的主题涉及用于产生包括电流变(ER)效应的方法,包括:提供一种装置,所述装置包括:上部电压电极和下部电压电极,所述上部电压电极和所述下部电压电极各自被吸水性材料覆盖,并且所述上部电压电极和所述下部电压电极上吸收有水;由层形成且位于所述上部电压电极和所述下部电压电极之间的间隙中的流体通道;位于所述电压电极中的一个电压电极上的压力传感器;泵;以及配置为向所述上部电压电极和所述下部电压电极施加电压的电压源;用所述泵使硅油流动通过所述流体通道;以及向所述上部电压电极施加电压,从而产生电场并且产生ER效应。

在又一个实施方案中,本发明主题涉及一种全液电流变(ER)流体,包含:由约85重量%至95重量%的硅油和约5重量%至15重量%的水构成的混合物,其中所述硅油和水均匀混合;并且当外部电压施加至所述混合物时,所述混合物展现出电流变效应。

附图简要说明

图1展现了包括高压电极和流体通道的成品照片。

图2描绘了激光雕刻的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)层的结构。

图3展示实验设置系统。

图4描绘了施加高压之前的压力测量。

图5描绘了施加高压之后的压力测量。

图6介绍了有效表面电荷密度。

图7描绘了具有0.5mm间隙的水-硅油体系的测量的压力差增加。

图8描绘了具有0.75mm间隙的水-硅油体系的测量的压力差增加。

图9描绘了具有1mm间隙的水-硅油体系的测量的压力差增加。

图10描绘了具有1mm间隙的水-癸烷体系的测量的压力差增加。

图11描绘了测量的ΔP″与电压的二次函数拟合关系(如实线所示)。

图12描绘了绘制为E2的函数的压力差。

图13展现了用于测量GER效应的实验装置。

图14展现了测量的剪切应力与时间的函数关系(如红线所示),电压模式(黑色曲线)绘制在同一图上。

图15描绘了屈服应力和应变之间的理论关系。

图16描绘了MD快照,其展现出了实施例8中的模拟的初始设置。

图17描绘了MD快照,其展示了在电场存在下的巨水分子长链。

图18展示了具有5μm间隙的样品由夹在两个金属网电极之间的两个水渗透性AAO膜制成。

图19展示了间隙尺寸为约5μm的样本的示意性结构。

图20示出了具有小间隙尺寸(5.15μm)的样品的所测量ΔP″与施加电压的函数关系。

具体实施方式

在本发明主题的背景中,发现已知的长链形成体系的上述缺点,即有限长链长度,是可以克服的。例如,水可以在外部施加的电场下在硅油中形成宏观分子长链或纵列。为此目的,已经研制出了用于测量源自场诱导形成偶极长链的电流变(ER)效应的微流体方法。广义模型包括流动通道、涂有吸水材料的两个平行板电极、注射泵、压力传感器、和高电压源(例如电极)。仔细控制电极上的吸水量以及通过通道的载体流的体积速率,同时监测通道中的压力差。这种方法比已知的旋转ER计更灵敏、准确且可靠,因而具有扩大在新材料设计和工业应用中的可能性。

此外,认识到分子偶极长链的形成为巨电流变(GER)效应的微观机制,这意味着沿着外部施加电场的方向在疏水相中形成宏观分子偶极长链的可能性。由这种结构产生的电流变(ER)效应可以被定义为分子ER效应,这种ER效应近来通过使用微流体方法在水-硅油系统中实现。

一个尿素分子渗入硅油作为分子长链的能量势垒可大于kBT(kB代表玻尔兹曼常数,T代表温度)。然而,当外场强度趋向无穷大时,偶极场相互作用对于一摩尔极性分子,只能补偿1kBT。从玻尔兹曼统计,通过下式能够计算出平均波动长链的长度<N>σ

其中,T表示室温,N为单链上尿素分子的数量,是每个分子沿外场方向在长链状态和块状状态间的偶极矩的差,E是场中的电自由能。当分离距离为2<N>σl或稍大时,在两个板中间可以形成长链。l表示偶极分子的尺寸。因为当时,并且在尿素/硅油的情况下,σ>kBT,确定了尿素长链的最大饱和间隙/饱和行为。关于方程(1),关键的调查是:是否存在σ~kBT或甚至σ<kBT的偶极分子,使得可利用存在的临界电场来产生这些特定的偶极分子的宏观长度长链。

因此,通过利用位于涂有吸水材料层的两个平行板电极之间的通道,展示了用于测量源自场诱导偶极长链形成的电流变效应(该效应可进一步定义为分子ER效应)的微流体方法。在本发明主题的模型中,通过泵、特别是注射器泵能够精确控制通过通道的载体流的体积流速。然而,也可在本发明的装置和方法中设计其他的泵机制。由高灵敏度压力传感器监测管道压差。如果形成了场诱导分子偶极长链,则可以记录监测的压差增量ΔP″。对于水分子,可以在间隙之间在硅油相中形成达~1毫米(大分子)的大分子长链。在充足的水供应下,ΔP″证明了和外加电场存在二次方关系。然而,当供水被用尽时,其与外加电场间的关系逐渐转变为线性关系。

通过使用本发明主题的装置和方法,在~5千伏/毫米下测得的最大压力增量为120Pa。有趣的是,当用癸烷取代硅油时,这种效应就会消失。此外,二次方电场关系表明,当间隙尺寸减小到若干微米时,ΔP″可以达到MPa的量级。这与在仅有若干纳米的距离的硅油中使用尿素分子时所观察到的线性效应形成鲜明的对比。

二次场关系也可以从理论上建模,从而证实当间隙尺寸减小到若干微米时屈服应力可以达到Mpa数量级。这对应于电能量密度高于任何现有技术中的GER材料。该方法可应用在基于微流体的设备中,如微型离合器、微型阀和微型阻尼器,并有助于对流体逻辑系统的控制。机制可以用于设计功能材料,例如新型的GER材料和生物材料。

实施例

实施例1:微流体测量仪器的制造

该装置有两个主要特征:吸水材料包裹的电极对、以及流体通道(图1)。电压直接施加于电极,并且流体从电极之间的通道中流过。压力传感器置于电极附近以测量压差。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)膜用作通道壁。上电极插入PMMA壁。下电极由铜膜制成,并用隔离物粘合。隔离物同样由PMMA膜制成,间隙尺寸(电极距离)由隔离物的厚度决定。在一个方面中,间隙尺寸选自1毫米、0.75毫米或0.5毫米。应当注意的是,这些间隙的尺寸远远大于现有技术的系统中的纳米间隙。

2毫米的PMMA膜由激光雕刻机(通用激光系统)制成以形成电极槽(图2)。在边界附近的六个直径3毫米的孔方便机械密封。第1层中的矩形部分(28毫米×10毫米)被剪掉。第2层中的相应区域被刻至深度约200微米。同样,还削减了第2层中的方形部分、槽附近的两个1毫米直径的小孔、和槽右边的大孔。层3中的PMMA膜作为置于电极之间的隔离物并控制通道高度(0.5毫米、0.75毫米或1毫米)。第1层和第2层被丙烯酸类溶剂粘合在一起,并且间隙被密封,包括六个螺丝孔和两个小孔。

加工2毫米厚的铜块(28毫米×10毫米),电极的另一部分由1毫米厚度的铜膜制成。该膜的尺寸与第3层相当(图2)。在铜块中加工出六个孔以便于机械密封。利用502强力粘合剂并通过预对准从而将PMMA隔离物接合至铜膜。将铜块插入由第1层和第2层形成的槽(图2),并用环氧树脂固定。

在将电极与PMMA粘结之后,利用锡焊料将电线穿过铜块的方形槽连接至电极以及隔离物层部分的铜侧。随后在锡焊点上覆盖环氧树脂以固定电线。随后将0.9毫米不锈钢管插入到粘合的PMMA中的两个小孔内,以作为入口和压力传感器的连接器。使用橡皮泥以堵塞内侧的孔。管附近被环氧树脂覆盖以实现密封。使用塑料软管作为出口。成品的上部和下部电极结合从而形成流体通道。利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜作为机械密封胶。利用旋涂机制作厚度为~50微米的PDMS薄膜。

实施例2:测量方案

测量实验方案要求实施例1中的上述测量仪器、注射泵、压力传感器、万用表、高电压源、函数发生器和计算机接口(图3)。将聚酯型吸水膜(MEMBRA-CEL MC18X 100CLR)在去离子水中浸渍约10分钟。然后切割所述膜并将其附在电极上。飞利浦PM5134函数发生器以与上部电极连接的不同生成信号(利用SPELLMAN SL300)触发直流高电压供电。高压信号是矩形波;持续时间为40秒;占空比为0.5。施加信号直至发生击穿(breakdown)为止。下部电极接地。利用超低压力传感器(EdgeLight ELPR-5)测量压力。LabVIEW作为接口来收集数据。利用Harvard注射器泵将硅油泵入通道。通道的出口向空气开放并固定在一定的位置处。

实施例3:压力测量

图4和图5中示出了测得量ΔP″=ΔP′-ΔP的来源。偶极分子长链的形成提供了流动阻力,因此需要额外的能量以维持流动速率。这反映在压差的增加上,压差的增加完全为输入能量密度的增加。额外部分的能量密度用于(部分地)打破偶极长链,因此应等于或小于长链结构的电能量密度。

实施例4:估算模型

基于实施例3中建立的物理构想,如下模型估算该效应。自由能密度等于长链的偶极-场相互作用和偶极-偶极排斥作用。针对长链的数密度,将自由能降至最低提供了均衡配置和相应的能量密度W,该能量密度W等于基于恒定流速测量而测得的压差ΔP″的增加,其中ΔP″是施加电场时用于打破长链所需的额外能量密度。

图6显示了以一定间隙距离隔开的两个水油界面处的有效表面电荷密度。电荷密度可与长链偶极子的数密度直接相关。为了计算能量密度,使用高斯定律,油层外的位移始终为0,这意味着电极的存在和水膜的介电常数对能量没有影响,而只有油的介电常数会对能量构成影响。

电场E下的电自由能可以写为表面电荷密度σ的函数:

其中最小值为:

σ=εε0E (2)

所得到的自由能的体积密度是:

所测得的压力的变化为外加电场E的函数,这可以表示为ΔP″=8.8E2,系数可直接由对比实验获得。

实施例5:测量和观测

对间隙宽度为0.5毫米,0.75毫米和1毫米的样品中的水-硅油体系进行测定。图6-9表明,一旦施加高压,压差立即增大,然后电压关掉时压差回落。持续测量直至发生击穿为止(当水-硅油体系中的间隙为1毫米时,6kV)。当不存在吸水膜、或者存在吸水膜但里面没有水时,未观察到压差的变化。对于间隙为1毫米的水-正癸烷体系(图10),未观察到压差变化,这意味着没有水分子长链形成,这是因为癸烷的疏水性高于硅油。电场所提供的驱动能量有限,其所提供的驱动能量小于水分子渗透到癸烷中的能量势垒,因而长链不能形成。然而,在硅油中,这种能量势垒小,因此可以通过外加电场而诱导形成长链。所测量的ΔP″是施加电压的函数。图11显示了高电压下的结果的平均值。ΔP″示出了在低电压范围内的与电压的二次方关系。在相同的外加电压下,ΔP″随着间隙尺寸的变大而减小。当外加电压较高时,ΔP″逐步采用线性电压关系,这可能是因为:基于使用足够的水分子来形成新的长链这一推测,二次方关系是自由能最小化的直接结果。随着电压的增加以及吸收的水逐渐耗尽,长链数目饱和。因此,长链的电能量密度与电压间为线性关系,这导致ΔP″的线性关系。

实施例6:压差绘制为E2的函数和观测

对水-硅油体系的全部三个样品,以间距尺寸将电压归一化,并将实施例5中测量的平均结果重新绘制为E2的函数(图12)。在低场范围内,所有三条曲线均下跌,这表明ΔP″主要取决于外加电场,而与间隙尺寸关系不大。压差的变化与E2呈正比。通过线性拟合得到的系数大约为6,这对应于此前通过电能计算出的数值8.8。如预期,测量的系数小于计算数值。

ΔP″的来源不是由于在硅油与电极之间生成了水层,这是因为水层的生成会引入载体流的滑移边界,从而减少压差。在正常电场的存在下,由于两种介质的介电常数间的差异,油-水界面处可能不稳定。然而,这种不稳定会使水滴渗入硅油,由于水比硅油具有更低的粘性,因此压差会降低。对比实验证实了水肯定是测得的电流变效应的产生因素,其中电流变效应是由偶极分子长链产生的。

实施例7:流变仪测量

通过流变仪测量证实了在实施例6中观察到的效应。Haake RS18mm直径的圆形旋转流变仪测量了水-硅油体系中的分子ER效应(图13)。通过两个电极(上电极旋转而下电极固定)施加电压。间隙设置为1毫米,间隙中填充硅油。在电极上覆盖吸收了水的聚酯类膜。施加1kV的矩形波。一旦施加电场时,剪切应力快速增加,并且可达到80Pa,然后在撤除电场时剪切应力回落(图14)。

在屈服应力和应变的关系方面,证实了与流变仪测量的一致。实测的屈服应力τ0和电能量密度W成正比。对于线性应变-应力关系τ=aε,其中a为常量,ε为应变。其满足和τ=2W/ε。屈服应力是达到屈服点ε0时的应力,因此τ0=2W/ε0(图15)。在1kV/mm的外加电场下,屈服应力预计为~88Pa,这符合初步测量。

能够理解的是,本领域的技术人员可在由随附权利要求中所表述的本发明主题的主旨和范围内,对用于阐述本发明主题的性质而描述并示出的细节、材料、步骤和部件布置方式可进行许多其他更改。

实施例8:分子动力学模拟

对于由均匀混合的硅油(90重量%)和水(10重量%)构成的体系进行MD模拟。参见图16,MD快照显示模拟的初始配置。水分子通过随机插入硅油链(附图中省略了硅油链,以获取清晰的视图)的间隔中从而实现了水分子的相对均匀的分布。虽然对由90重量%的硅油和10重量%的水构成的体系进行了模拟,但是还考虑硅油含量范围可以为85重量%到95重量%;同样的,水含量范围可以为5重量%到15重量%。

沿着由图17中的箭头所示方向施加电场。通过模拟,长链中的水分子的偶极子大多是沿电场方向取向的,并且这些长链代表了连接间隙的巨偶极子。这种特定的结构产生了在各实施例中观察到的ER效应。

这种水比例较低的均匀的水-油混合物是一种新型的全液ER流体,这是因为其不含固体(颗粒)相,而固体(颗粒)相是常规ER和GER流体中的关键组分。应当认识到,该体系能够以多种比例而运行。此外,用于实现这种全液ER效应的装置可以极为简单,其仅需要两个电绝缘电极和两个侧壁作为通道。在这种情况下,将不需要储水池。

实施例9:微流体测量的构建

此外还利用下述装置对间隙尺寸为~5μm的小间隙尺寸样品进行检测。发现在1.6kV的外加电压下,ΔP″增加到2.2kPa。如图18所示,间隙为5μm的样品由夹在两个金属网电极之间的两个水渗透性AAO膜构成。

装置由三个主要部分构成:金属网电极,其网格尺寸为90μm;AAO膜;和流体通道。请参见图18和19。高电压直接施加在金属网电极上。流体通道由两个AAO膜(厚度为64μm)形成,这两个AAO膜由PS(聚苯乙烯)微球制成的隔离物隔开,间隙尺寸由隔离物尺寸确定。使用了直径为5.15μm的PS微球。将压力传感器置于电极附近以测量压差。使用环氧树脂密封件作为通道的侧壁。使用了具有直径为100纳米的均匀孔隙的AAO膜以用于供水。在PMMA膜的孔内放置陶瓷(Resbond 920)作为储水处。使用激光雕刻机(通用激光系统)制备厚度为1毫米的PMMA膜(24毫米×10毫米)。

上部PMMA膜有三个孔。直径为6毫米的大孔用来放置陶瓷,两个直径为0.9毫米的小孔用于连接不锈钢管。底部PMMA膜仅具有一个用于供水的大孔。首先,利用环氧树脂将金属网片和AAO连接至PMMA膜。然后将两个直径为0.9mm的不锈钢管插入PMMA中的两个小孔内作为入口和出口。用环氧树脂覆盖管附近以将其密封。使用直径为5.15μm的PS微球作为隔离物以分隔两个AAO膜。最后,利用环氧树脂将两个PMMA膜粘结在一起,并将陶瓷置于大的孔中以储存水。

实施例10:测量方案

按照与实施例2中所述类似的方式进行实施例9中的样品测量,不同之处在于使用数字压力仪(CWY50)进行压差测量。为了将全液ER效应运用到实际中,使用了具有约5μm的小间隙尺寸的平行板通道,以实现更大的电场诱导压力差。不出所料,所观察到的压差增量比大样品的压差增量大一个量级。图20(测得的ΔP″和施加于小间隙尺寸(5.15μm)样品的电压间的函数关系)中的结果显示,在小电场区与外加电场存在二次方关系的倾向,随着外加电压的增大,表现出线性关系。在大电场区观察到了压力差的饱和行为。与之前的情况类似,这种观测到的压力差源于水偶极长链的屈服应力。测得的最大压力增量为~2.2kPa。当用癸烷取代硅油时,这种效应会消失。值得注意的是,由于夹在电极之间的AAO膜,因此与通道尺寸相比,两个电极之间的距离还是很大。与电场间的二次方关系意味着,当两个电极间的距离减小时,屈服应力可以达到MPa的量级。这所对应的电能量密度高于任何GER材料的电能量密度。

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