上海大学巫金波教授等Engineering综述：材料、能源、机械工程中高效的电流变技术

近日，上海大学巫金波教授等团队在国际学术期刊、中国工程院院刊英文版《Engineering》（IF=12.8，JCR Q1，中国科学院一区TOP）上发表题为“Efficient Electrorheological Technology for Materials, Energy, and Mechanical Engineering: from Mechanisms to Applications”的综述论文。

电流变（electrorheological, ER）技术是一种基于电流变效应的先进技术。电流变技术中最常见的材料是电流变液（electrorheological fluid, ERF），ERF是一种极具代表性的软物质智能材料，其黏度可以通过施加外部电场来实现可逆调节。另外，电流变弹性体（electrorheological elastomer, ERE）作为电流变液的衍生物，是一种具有不沉降、易封装等优点的新型的电响应软物质材料，也得到了研究人员的广泛关注。这两类电流变材料由于其可逆可调、快速响应、低能耗等特性，在机械工程领域有着广泛的应用前景。电流变技术不仅用于电流变材料的制备与应用中，在能源材料制备、石油运输、储能等领域同样出现了电流变技术的诸多应用，其中在能源领域的典型应用，展示了电流变技术的广泛应用潜力。基于最新研究成果，本文从机理到应用，系统地阐述了电流变技术在材料、能源和机械工程等领域的研究现状和未来发展前景。

图1. ER技术构成框架图

ER技术是通过施加外部电场来控制介电悬浮液或胶体中分散相排列规则，从而改变材料的流变学、声学、光学等方面的性能。ER技术的原理是电流变效应，电流变效应是指在外加电场作用下，微观上软物质材料的结构发生变化，如介电颗粒沿电场方向定向排列或聚集，宏观上表现为材料的流变学性能（如黏度、剪切应力、剪切模量）发生显著变化。利用ER技术的能耗低、响应快（毫秒级）、转换过程可逆等优点，可用外部电场快速改变具备电流变性能材料的微观结构和宏观性能，从而实现多种多样的应用。

图2. ER材料的不同理论模型

ER材料由连续相、分散相和添加剂等成分组成。ERF一般使用绝缘油作为连续相，而ERE一般使用弹性体作为连续相。分散相一般选取介电性能良好的微纳米颗粒，而目前对分散相颗粒的研究仍然是ER材料研究的热点，包括核壳结构、中空结构、不同几何结构的颗粒对ER材料的影响在近些年都有很多研究进展。也有研究人员关注连续相的性质对ER材料的影响，包括双液相ERF等突破性研究成果。添加剂的影响是另外一个值得关注方面，表面活性剂对ERF的影响以及塑化剂对ERE的影响都取得了一些研究进展。

ER材料最早的应用领域包括阻尼、减振、微阀、微泵等方面，近年来则出现了微整流器“流体二极管”、运动控制、智能乒乓球拍等新兴应用。同时ER技术在ER材料制备这个“传统”领域之外，还应用在了其他领域。例如用ER技术降低原油的黏度从而使其更易于输送，在食品加工中也可以用ER技术处理巧克力从而降低其脂肪含量。ER技术还可用于改善超级电容器、锂电池的性能，与生物技术结合则还可以应用于疾病诊断的传感器。ER技术的多学科交叉应用使得其突破了原有的ER材料的范畴，在更多的领域发挥了价值。

图3. （a）ERE减震器结构图。（b）ERE剪切型阻尼器结构图。（c）调节圆周运动幅度的装置。（d）智能乒乓球拍原理图及结构设计。

图4. ER技术发展过程梳理

ER效应和技术已经发现和发展了80多年，ER材料的性能在这几十年间不断地提高。同时，它们的应用和相关器件也有很多演示和扩展。例如，在ER智能阻尼器领域有很多商业应用案例，在能源领域有原油输送等范例。但目前这些应用成果还停留在应用示范的层面，尚未大规模推广应用。在材料方面，ER材料的稳定性、温度适应性和耐磨性制约了其在工程领域的应用。对于实际工程应用而言，ER材料的封装、使用过程中电极的适用性、器件材料的选择等都是有待解决的难题。此外，制约其应用的原因除了ER材料的一些性能缺陷和应用技术不成熟外，还与应用定位和开发有关。因此，可以建立包括合成工艺、成分、材料性能、使用性能和应用数据在内的ER材料数据库以帮助研发。新材料的研究和开发应该以实际应用为导向，这些过程可以通过基于人工智能的计算机技术如数据挖掘来加速。如果缺乏合理的应用定位，那么对新材料的无方向探索就会造成不必要的浪费。因此，要发展ER技术并扩大其应用范围，还需要投入更多的资源进行应用层面的定位和研究。

本论文为近些年来最为全面、详尽的电流变技术综述文章，在ResearchGate上获得多位学者推荐。巫金波教授、温维佳教授、张萌颖老师为共同通讯作者，梁宇岱博士为第一作者，上海大学材料基因组工程研究院为第一署名单位。该研究还得到了之江实验室重点研究项目（No. 2021PE0AC02）和国家自然科学基金（No. 11704239, 61922053, 11674210）的大力支持。

论文信息：Yudai Liang, Dongyang Huang, Xuefeng Zhou, Ziqiu Wang, Quan Shi, Yaying Hong, Huayan Pu, Mengying Zhang, Jinbo Wu, Weijia Wen. Efficient Electrorheological Technology for Materials, Energy, and Mechanical Engineering: From Mechanisms to Applications [J]. Engineering, 2023, 24 (5): 151-171.

论文链接（Engineering）：http://www.engineering.org.cn/en/10.1016/j.eng.2022.01.014

论文链接（Elsevier）：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095809922003526