上海大學巫金波教授等Engineering綜述：材料、能源、機械工程中高效的電流變技術

近日，上海大學巫金波教授等團隊在國際學術期刊、中國工程院院刊英文版《Engineering》（IF=12.8，JCR Q1，中國科學院一區TOP）上發表題為“Efficient Electrorheological Technology for Materials, Energy, and Mechanical Engineering: from Mechanisms to Applications”的綜述論文。

電流變（electrorheological, ER）技術是一種基于電流變效應的先進技術。電流變技術中最常見的材料是電流變液（electrorheological fluid, ERF），ERF是一種極具代表性的軟物質智能材料，其黏度可以通過施加外部電場來實現可逆調節。另外，電流變彈性體（electrorheological elastomer, ERE）作為電流變液的衍生物，是一種具有不沉降、易封裝等優點的新型的電響應軟物質材料，也得到了研究人員的廣泛關注。這兩類電流變材料由于其可逆可調、快速響應、低能耗等特性，在機械工程領域有著廣泛的應用前景。電流變技術不僅用于電流變材料的制備與應用中，在能源材料制備、石油運輸、儲能等領域同樣出現了電流變技術的諸多應用，其中在能源領域的典型應用，展示了電流變技術的廣泛應用潛力。基于最新研究成果，本文從機理到應用，系統地闡述了電流變技術在材料、能源和機械工程等領域的研究現狀和未來發展前景。

圖1. ER技術構成框架圖

ER技術是通過施加外部電場來控制介電懸浮液或膠體中分散相排列規則，從而改變材料的流變學、聲學、光學等方面的性能。ER技術的原理是電流變效應，電流變效應是指在外加電場作用下，微觀上軟物質材料的結構發生變化，如介電顆粒沿電場方向定向排列或聚集，宏觀上表現為材料的流變學性能（如黏度、剪切應力、剪切模量）發生顯著變化。利用ER技術的能耗低、響應快（毫秒級）、轉換過程可逆等優點，可用外部電場快速改變具備電流變性能材料的微觀結構和宏觀性能，從而實現多種多樣的應用。

圖2. ER材料的不同理論模型

ER材料由連續相、分散相和添加劑等成分組成。ERF一般使用絕緣油作為連續相，而ERE一般使用彈性體作為連續相。分散相一般選取介電性能良好的微納米顆粒，而目前對分散相顆粒的研究仍然是ER材料研究的熱點，包括核殼結構、中空結構、不同幾何結構的顆粒對ER材料的影響在近些年都有很多研究進展。也有研究人員關注連續相的性質對ER材料的影響，包括雙液相ERF等突破性研究成果。添加劑的影響是另外一個值得關注方面，表面活性劑對ERF的影響以及塑化劑對ERE的影響都取得了一些研究進展。

ER材料最早的應用領域包括阻尼、減振、微閥、微泵等方面，近年來則出現了微整流器“流體二極管”、運動控制、智能乒乓球拍等新興應用。同時ER技術在ER材料制備這個“傳統”領域之外，還應用在了其他領域。例如用ER技術降低原油的黏度從而使其更易于輸送，在食品加工中也可以用ER技術處理巧克力從而降低其脂肪含量。ER技術還可用于改善超級電容器、鋰電池的性能，與生物技術結合則還可以應用于疾病診斷的傳感器。ER技術的多學科交叉應用使得其突破了原有的ER材料的范疇，在更多的領域發揮了價值。

圖3. （a）ERE減震器結構圖。（b）ERE剪切型阻尼器結構圖。（c）調節圓周運動幅度的裝置。（d）智能乒乓球拍原理圖及結構設計。

圖4. ER技術發展過程梳理

ER效應和技術已經發現和發展了80多年，ER材料的性能在這幾十年間不斷地提高。同時，它們的應用和相關器件也有很多演示和擴展。例如，在ER智能阻尼器領域有很多商業應用案例，在能源領域有原油輸送等范例。但目前這些應用成果還停留在應用示范的層面，尚未大規模推廣應用。在材料方面，ER材料的穩定性、溫度適應性和耐磨性制約了其在工程領域的應用。對于實際工程應用而言，ER材料的封裝、使用過程中電極的適用性、器件材料的選擇等都是有待解決的難題。此外，制約其應用的原因除了ER材料的一些性能缺陷和應用技術不成熟外，還與應用定位和開發有關。因此，可以建立包括合成工藝、成分、材料性能、使用性能和應用數據在內的ER材料數據庫以幫助研發。新材料的研究和開發應該以實際應用為導向，這些過程可以通過基于人工智能的計算機技術如數據挖掘來加速。如果缺乏合理的應用定位，那么對新材料的無方向探索就會造成不必要的浪費。因此，要發展ER技術并擴大其應用范圍，還需要投入更多的資源進行應用層面的定位和研究。

本論文為近些年來最為全面、詳盡的電流變技術綜述文章，在ResearchGate上獲得多位學者推薦。巫金波教授、溫維佳教授、張萌穎老師為共同通訊作者，梁宇岱博士為第一作者，上海大學材料基因組工程研究院為第一署名單位。該研究還得到了之江實驗室重點研究項目（No. 2021PE0AC02）和國家自然科學基金（No. 11704239, 61922053, 11674210）的大力支持。

論文信息：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.

論文鏈接（Engineering）：http://www.engineering.org.cn/en/10.1016/j.eng.2022.01.014

論文鏈接（Elsevier）：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095809922003526