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飞机刹车新技术,宁波材料所制备出具有高电流

时间:2019-09-25 02:33来源:澳门24小时娛乐在线
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华夏汽配网报道,一种智能材料--电流变液自然界中液体和固体是有显着区别的两种物质形态。水、油是液体,可以四处流动。石头、木材是固体,有固定的形状。同一种物质在外部条件的变化下,可以从一种物质形态变化到另一种物质形态,比如水,当温度在零摄氏度以上是液体,在零摄氏度以下就会结冰,变成固体。那么,能不能发明一种材料,通过一种媒介作用使它能在液体与固体之间自由转换,分别具有两者的优点呢?这时,有一种称为“电流变液”的东西,正扮演着这种新型材料的角色华夏汽配网编辑。通电时,它的粘度随外电场增长而变稠,从液体向固体演变,当电场足够大时,整个体系表现出类似固体的特征。当去掉外加电场时,它又由固态重新恢复到原有的液态。由于这种材料可以在电场作用下在液态和固态之间转换,故被称为电流变液。由于电场可由电脑操纵,因此可变态的电流变液又被称为智能材料。电流变液是一种由介电微粒与绝缘液体混合而形成的复杂流体。在没有外电场时,它的外形很像机器用的润滑油,通常由基础液、固体粒子和添加剂构成。基础液可使用煤油、矿物油、植物油、硅油等经理化处理的物体构成,要具有绝缘性能好,耐高压,低粘度,在无电场作用下具有优秀流动性这些性质;固体粒子是一种由纳米至微米尺度大小的具有高的、相对的介电常数和较强极性的微细物体构成。添加剂常用水、酸、碱、盐类物体和表面活性剂构成,其作用是加强悬浮液的稳定性和电流变效应。在外电场作用下,电流变液中的固体颗粒得到电场的感应作用,首先在两极板间排成链,随电场进一步加强,链之间相互作用而聚集成柱,以便由液态进入固态。近来电流变液组份得到持续改进,性能优秀的电流变液在电场的作用下能产生显着的电流变效应,就可在液态和类固态间进行快速可逆的转化,并保持粘度连续。这种转变极为快速,瞬时可控,能耗极小华夏汽配网分析,因此可与电脑结合,达到实时控制。电流变技术在机械工程、汽车工程、控制工程领域的使用范围很多。电流变技术在汽车上最直接的使用是采用它在电场下粘度连续变化的特征制造汽车离合器装置,比如汽车自动变速器的离合器,就可以用电流变液代替传统的齿轮离合装置。传统的汽车自动变速器机械结构复杂,具有体积大,耗能高的缺点华夏汽配网认为。假如改用电流变液制作的离合器来代替传统的齿轮离合装置,不仅体积可以大幅缩小,并且控制轻松,只需控制电压就可达到调速的目标,到时只需在方向盘上设置几个调速按键就可处理换档。电流变液作用下的离合装置原理是这样的:主动轴和从动轴之间充有电流变液。当外加电场为零时,主动轴不会带动从动轴转动;当电压慢慢增长时,电流变液的粘度会随之增长。当其粘度达到一定临界值时,主动轴带动从动轴转动。由此可见,根据电流变技术的原理,构成液—机耦合的机制,可以设计出全新的汽车结构。根据这一原理,相同可以设计出新颖的汽车转向系统、汽车的减震装置、制动装置等。与传统的机械产品相对比,具有设计简化、使用简便、灵敏度高、噪声小、寿命长、成本低、易于达到电脑控制的特征。电流变技术在汽车传动系统的重要创新将引发一场汽车技术革命。

New Technologies of Aircraft Wheel Braking System何永乐刘军电动刹车技术是新一代多电或全电飞机计划能否实现的关键技术之一,与传统的刹车方式相比它在刹车效能、安全性、可靠性和可维修性方面具有较大突破,目前已经进入试验阶段。流变体刹车是一种尚处于理论研究阶段的新的刹车理念,它使磁流变体和电流变体等智能材料,在调节外加电场或磁场的情况下,迅速改变粘度,甚至由液态变为固态。在系统的动静盘之间形成剪切力,从而产生阻碍动盘旋转的力矩刹车系统是飞机的一个重要组成部分。多年来,在提高刹车效能及其安全性、可靠性和可维修性的需求牵引下,飞机刹车技术的改进和创新始终没有停止过。碳刹车的研究和成功应用是20世纪后期的一项重大技术成就,为飞机刹车技术领域开辟了一片新天地。而电动刹车、流变体刹车等新技术、新方案的研究和开发,也将为飞机刹车技术的发展注入新的活力。即将走向实用的电刹车早期的飞机刹车直接借用了汽车制动技术,即采用气压刹车。以后很快发展为液压刹车。液压刹车较之气压刹车来说有许多优点,首先它可以提高刹车压力,减少刹车结构的体积,其次它可以使飞机省去体积庞大的冷气瓶,更重要的是它为电液防滑控制刹车系统的应用提供了可能性。但是,液压刹车系统也存在重量大、易起火、响应慢等缺点。液压系统的管路敷设和油液重量对整机来说也是一个沉重的负担。早在1982年美国BF古德伊尔宇航公司(现为飞机刹车系统公司,简称ABS公司)开展了电刹车系统预研。1984年美国空军着手解决刹车起火和降低维修费用问题,并与该公司签订了研制试验合同,1988年在A-10近距空中支援攻击机上进行了电动刹车装机检查和地面滑行试验。BF古德里奇宇航公司也与空军签有合同,投入了可观的资金开发电刹车技术,1995年完成了各项实验室试验,并于1988年12月在F-16飞机上电刹车首飞成功。电刹车系统和液压刹车系统就刹车原理来说是相同中的,其机轮和刹车装置的主要部分是相同的。只是在电刹车系统中,电源代替了液压源,机电作动器代替了液压作动筒。此外,在电刹车系统中增加了刹车调节器和力矩传感器。A-10飞机上的机电作动器组件有9个大力矩钐钴有刷直流电动机,这些电动机带动环形齿轮,进而推动压头对刹车盘加压,这类似于现有的液压刹车在液压力作用下推动活塞对刹车盘加压,于是随机轮旋转的动盘和不能旋转的静盘由于压紧在一起而形成刹车力矩。在电动刹车装置中,通过一个大直径的滚珠螺杆机构将电动机的旋转运动转变成压头的直线运动。刹车调节器用来控制电动机的运转。刹车调节器接收刹车防滑控制盒指令和机轮力矩传感器的信号,可以自动调节电动机的电流和电压,从而调节刹车力矩。电动机电流按所需刹车力矩输入,达到需要的力矩水平后便立即减小,直到需要改变力矩为止。电动机反向即可解除刹车。电刹车系统的工作过程是,当刹车脚蹬力增大时,力矩控制线路限制电动机电流使刹车力矩逐渐增大。在刹车力矩不大时,限制电流仅为其最大值的1/3左右。刹车力矩增大至所需大小时,电流不再受到限制。如果调节器识别出是稳态条件,它便允许电流下降到刚刚能维持所需力矩的较小值。在松刹车时,力矩控制不起作用,以保持最大的松刹车速度。F-16飞机试飞的电动刹车装置与A-10飞机的相似,但它用了4个无刷直流电动机和4个滚珠螺杆机构。与液压刹车系统相比,电刹车系统具有明显优势。在电刹车系统中采用电力操纵,不存在油液充填活塞腔的过程,因而对脚蹬刹车指令响应比液压刹车系统快得多。电作动器的响应频率可达20~30赫兹,而液压装置的响应频率大约是10赫兹。同理由于松刹车也比较快,有助于改善防滑性能。采用力矩反馈控制,消除了刹车摩擦力的异常变化,可提供一致的刹车响应,使防滑刹车更加精确,从而使飞机产生较大的减速度,并缩短了刹车距离。F-16飞机采用碳刹车机轮,力矩反馈较好地解决了碳刹车盘在干湿态和轻刹车下摩擦系数不稳定的问题。由于取消了液压附件,减少了失效危险,提高了安全性,也减轻了重量。一般估计,在装配两个主轮的战斗机上,电刹车系统可减重22~45千克,而对于装配八个主轮的运输机,减重可达126千克。对L-1011飞机的分析表明,电刹车系统减重680千克。电刹车系统还易于实现余度刹车功能,大大提高了战伤生存性。F-16飞机电刹车采用双通道控制,连接导线由38根导线的线束构成,可靠性高。4个电动机构即使一半失效,仍能提供最大刹车能力。电刹车系统还改善了系统的故障诊断能力,减少了维护工作量,降低了维护要求。值得指出的是,没有液压油,因而也不存在常见的液压系统污染问题。但是,电刹车系统也有一些问题尚未解决。首先是机电界面问题,即用滚珠螺杆来实现由电动机到压头的运动转换。滚珠螺杆由于磨损造成的呆滞降低了系统的响应,使松刹车缓慢,力矩亦会降低。其次,在严酷的刹车工作环境下,小型高速大力矩电动机的可靠性存在问题。电动机的运行可靠性是电刹车系统可靠性的关键。电刹车系统必须具有失效安全功能。第三,结构设计中布局有困难。电动机、螺杆、环形齿轮等占有机轮的空间位置,这给机轮设计带来了难度。第四,在刹车初期,刹车力矩和瞬时速度都很大,因而电刹车系统的刹车功率比液压刹车系统几乎高出40%,这将导致钢刹车摩擦表面熔化,从而使减速率降低。电动刹车装置中除了采用电动机外,还可以使用电磁离合器,使刹车盘压紧或松开。目前,电动刹车技术国外仍在试验研究,BF古德里奇、ABS、霍尼韦尔等公司对飞机电刹车技术均取得了自己的专利。理论研究中的流变体刹车所谓流变体是能在调节外加电场或磁场的情况下,迅速改变粘度,甚至由液态变为固态的复合材料。受电场支配的称为电流变体,受磁场支配的称为磁流变体,材料的这种现象叫做温斯罗效应。磁流变体是由磁性粒子与液态物质构成的液态悬浮体,磁性粒子一般为铁磁金属球形颗粒或铁氧体颗粒(粒径为0.01~10微米), 载液常用硅油、煤油或烃油等稳定性好、无污染和不易燃烧的液体,加入一定的稳定剂来防止颗粒沉降或团聚。电流变体与磁流变中的体组成相似,只是载液颗粒为非磁性物质。电流变液是高介电常数的固体微粒分散于低介电常数的绝缘液体中所形成的一类稳定悬浮液,是近年来发展较快的一类智能材料,具有在液体和固体之间进行快速可逆转变的特性。温斯罗效应的发现已有50多年,但在机械工程方面的应用研究却是近十几年的事情。流变体刹车技术是温斯罗效应的一种应用。这种刹车动盘和静盘之间充以流变体,在没有刹车情况下,流变体不起作用,动盘可自由转动。刹车时在电场作用下,流变体粘度迅速改变,从而在动静盘之间形成剪切力,这样就产生了阻碍动盘旋转的力矩。流变体的粘度与外界电场成正比,电场强度越高,粘度越大,制动力矩越大。取消电场后,流变体丧失粘度,动静盘之间的力矩消失,从而松开刹车。电流变体要在高电压场工作,因此,绝缘与防护是重要问题。磁流变体的高磁场则容易操作,同时流变剪切力比电流变体大一个量级,动力学和温度稳定性也比较好。此外,磁流变体在中等磁场的作用下粘度系数可增加两个数量级。流变体刹车较机械摩擦式刹车的显著优点是制动平稳,效率高,目前已经试用于车辆的刹车。其缺点是结构复杂,能否在飞机上应用,取决于工程化研究的进展情况。关于电磁场刹车的设想飞机着陆刹车过程是一个将巨大的飞机动能转化为热能而耗散的过程。从电机制动方式得到启示,笔者认为未来电磁场原理可用于飞机刹车。在起飞滑跑中机轮作为发电机发电贮存在电瓶中(亦可用作电动机,用机上电源使其旋转助跑起飞),在着陆中机轮作为电动机,刹车时接通机上电源,使机轮产生一个与转动方向相反的电磁力矩,从而达到减速停车的目的。制动过程机械能转化为电能可回馈给电瓶。这种设想符合能量守恒原理,理论上应当是可行的。如果能在飞机上实现,这将是飞机刹车技术富有革命性的创新,因为它不再藉助摩擦刹车,而是电磁场制动,并利用起飞着陆过程中能量的转换。伴随着飞机设计、制造技术的发展和使用需求的增加,飞机刹车技术将不断发展和创新。国外在飞机电刹车方面的研究进展和机轮刹车主要厂家纷纷申请专利加以保护,对于我国同行不能不说是个巨大的压力。我们应以积极的态度,了解国外飞机刹车技术的新动向,加大基础投入,在飞机刹车技术的研究、发展和应用方面,有所发明,有所创造。

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电流变液是一种在电场下可发生类似液—固相变的智能材料,具有剪切强度(弹性模量或流变性质)连续可调、快速响应和可逆转变的特性,在自动控制、减震降噪、机械传动等诸多领域有着重要的应用价值。近年来,中国科学院宁波材料技术与工程研究所微纳功能材料与应用团队围绕电流变材料的可控合成和机理研究方法开展系统工作。团队科研人员研究了分散相颗粒表面形态、尺寸、聚集状态及浸润性质与电流变液性能间的影响规律(J. Mater. Chem. C 2014, 2, 5629;Smart Mater. Struct. 2014, 23, 075005;Appl. Phys. Lett. 2012, 101, 101908),并制备出一系列具有高屈服强度的电流变液,分散相材料包括草酸氧钛钙CTO、草酸氧钛锡STO、氧化钛等纳米颗粒(RSC Adv. 2014, 4, 29622;J. Colloid Interface Sci. 2012, 378, 36)。

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澳门24小时娛乐在线 ,随着电流变液屈服强度的提高,其与初始粘度之间的矛盾也越来越突出。屈服强度高的电流变液,初始粘度也非常高,导致场致力的比例下降,力的调节范围和能力也随之下降。最近,该研究团队发展了一种新颖的CTO材料制备方法,在无表面活性剂的水/醇混合体系中合成纺锤形微米颗粒。施加电场后纺锤形颗粒沿电场方向排列成链,颗粒间的极性基团发生取向排布并相互作用,颗粒尖端的高局域电场可极大提高极性基团间的作用力及链状结构稳定性。该材料与硅油有良好的浸润性,当固含量为38 vol% 时,初始粘度小于6 Pa.s ,5 kV/mm时屈服强度超过60 kPa,电流变效率可达6000,比已报道的钛氧基类电流变材料高1-2个数量级。相关工作发表在NPG Asia Materials上,获得审稿人高度评价。

10月11日,应上海大学材料基因组工程研究院院长张统一院士的邀请,香港科技大学物理系温维佳教授访问上海大学,在宝山校区乐乎新楼思源厅举行了一场题为“电流变液及其应用”的报告,来自我校理学院、材料学院、纳米中心等逾七十位师生出席。罗宏杰校长亲临与师生们一起聆听报告,交流探讨,报告会洋溢着浓郁的学术氛围。

以上工作得到中科院青年创新促进会、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金(LY14B070012)及宁波市创新团队(2015B11002)等项目的大力支持。

温维佳教授是巨电流变智能材料领域的世界顶级科学家,温教授于2003年将纳米技术引入电流变领域的研究,在国际上首先发现了剪切强度达250KPa的电流变材料,并提出了巨电流变的概念,其成果发表于2003年的Nature Materials。电流变液是由介电颗粒与绝缘液体混合而成的,当外电场作用时,电流变液的剪切强度随电场的增加而变大,可由液态转变成类似固体物质,且这种转变是可逆的,响应时间为毫秒量级。电流变液剪切强度在外电场作用下具有连续可调、快速响应和可逆转变的奇异性质,是独一无二的软硬程度可调节的智能材料,具有广泛和重要的应用价值,可用于离合器、制动器,阻尼系统、减震器、无级变速器、阀门、机电耦合控制等领域。温维佳教授这一重要成果获得了2014年国家自然科学二等奖。

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温维佳教授的报告生动地讲述了电流变液的发现和发展历史,以及自己在2003年发现巨电流变液(Giant Electrorheological 简称GER)的过程,在座的师生感受颇深。与大家分享知识、经验的同时,温教授还和现场听众开展热烈的学术讨论,对上大师生们提出的问题进行一一解答,给予指导性建议,令与会者对相关研究领域受益良多。罗宏杰校长也与温教授进行了探讨交流,报告会由材料基因研究院副院长张金仓教授主持,科技处副处长李爱军教授,理学院物理系主任赵新洛教授等也参加会议进行了交流。

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当日下午,温维佳教授在科技处副处长李爱军教授和材料基因研究院张金仓、顾辉教授等一行的陪同下,访问了上汽集团研发中心并进行了学术交流。

图1. 不同电场下电流变液的屈服强度及电场中的颗粒排布情况

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图2. 电流变液阻尼器件示意图及照片

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