電流變液態光柵實驗研究

薛治平,周昱萱,2,伍卓柱,代 唯,魏 華

(1.重慶大學 物理學院,重慶 400031;2.北京大學 電子學院,北京 100871;3.育才中學校,重慶 400050)

電流變液是目前最吸引人的智能材料之一,它有著流動的行為和流變的特性,其特性在不同的外加電場下有著不同的效果[1-2]。以往研究表明,電流變液流體通常是由分散在非極性液體介質中的可極化顆粒組成的懸浮液。通過施加外加電場使電流變液流體在毫秒級的時間內從液體變為近固態,屈服應力和剪切模量的數量級也隨之增加;此外,一旦電場被移除,這種效應完全地迅速逆轉[3-4]。而相比于普通的電流變液,巨電流變液具有更好的特性,其表現在于:相同電場作用下,巨電流變液流體表現出幾乎更高一個數量級的屈服應力[5]。

在施加外加電場后,電流變液流體在毫秒級的時間內從液體變為近固態,屈服應力和剪切模量的數量級也隨之增加。而屈服應力和剪切模量的增加的原因,是電場作用下電流變液微觀形態的變化。由以往的研究表明[3],巨電流變液中存在較大的棘狀顆粒(微米量級)和相對較小的不規則納米顆粒(納米量級)。液體在強電場作用下,棘狀顆粒和不規則納米顆粒相互配合,在電場強度方向上排成一條條拉緊的長鏈(棘狀顆粒為形成長鏈的主體,納米顆粒在每兩個棘狀顆粒之間負責加強銜接的作用)。因此,在垂直于長鏈方向(電場方向)上的剪切應力得到了增強。這就是巨電流變液在電場作用下力學性質變化的原因。在以往的實驗中,我們已經對這種流變液鏈狀結構進行了觀察,給出了其完整的成鏈過程[5]。

在實驗中我們發現,在平面上電流變液薄層在電場作用下的鏈狀結構,某些局部區域具有空間周期性的分布。同時可以看出,電流變液形成的鏈狀結構是不透明的,而每兩條鏈之間是透明的。這樣的性質與光柵類似。我們進一步發現,在適當的條件下——激光光斑直徑足夠小且光強分布足夠均勻[6],電流變液鏈狀結構比較密集、局部呈現出光柵的周期性結構時,激光透過電流變液薄層可以產生衍射現象。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

電流變液是由課題組利用化學合成法自主制備的主要顆粒為鈦參雜草酸亞鐵的巨電流變液[7],因此我們可以很方便的調配不同的濃度。

我們在之前的研究和探索中得出電流變液產生光柵衍射的重要條件之一——調節激光光斑直徑足夠小且光強分布足夠均勻。實驗光路如圖1所示。在利用電流變液制作液態光柵的實驗中,我們利用了定制的載玻片,自制的銅電極,靜態高壓電源,巨電流變液及硅油等實驗材料。

擴束鏡和光闌起到產生均勻光強激光光束的作用,兩個透鏡起到縮小激光光斑直徑的作用。系統可以產生細小均勻的激光光斑。接收屏放置在圖的左側,與反射鏡距離較遠,與光束垂直,用于接收衍射圖像。圖1 光路及流變液結構

1.2 實驗過程及結果

我們采取的實驗方案是:先將電流變液和硅油混合均勻,再將其均勻的涂抹在載玻片上,在載玻片的兩側加上平行的銅極板并加上靜態高壓(2 kV/cm～5 kV/cm),過大約兩分鐘(90～150 s,出現現象且現象穩定后即可)后觀察電流變液變化的現象和激光照射在電流變液上產生的衍射現象。

經過多次實驗,我們觀察到了許多液態光柵的實驗現象:電流變液在高壓電場的作用下,可以逐漸形成沿電場線分布的鏈狀結構[8]。由于我們使用的電極是平行板,所施加的電場是勻強電場,電流變液也以一條條互相平行的直線密集地在載玻片平臺上排布著。從整體上看,電流變液形成的鏈狀結構具有空間周期性,當我們調節好外部條件(電場強度,流變液濃度等)時,總可以找到局部區域的鏈狀結構具有較嚴格的空間周期性排布,其相鄰的鏈狀結構具有等間隔的直線式排布。我們用激光光束打在這種周期性排布的結構上,可以發現有明顯的衍射條紋出現。通過多次實驗,我們發現當電流變液與硅油混合得越均勻,電流變液濃度控制得越適當,這種空間周期性排布的鏈狀結構出現的概率也就越大。也就是,其出現的概率可以隨著外部條件的變化而變化,可以受到我們實驗條件的調控。

在電流變液態光柵衍射的實驗中,我們按照實驗方案,多次重復了實驗,并把每次實驗得到的液態光柵放在顯微鏡下觀察,得到了圖像(見圖2)和數據表(見表1)。

表1 液態光柵實驗數據表

在光學顯微鏡下觀察,可以看到電流變液沿電場線分布,具有空間周期性的鏈狀結構。鏈狀結構空間周期的量級是0.1 mm。圖2 光學顯微鏡下的流變光柵結構圖

D2:光柵到屏的距離;d2:光柵常數測量值;x2:衍射條紋間距測量值;數據處理方式:用光柵方程和數據D2,d2,波長計算衍射條紋間距理論值,再與實驗值x2對比計算得出實驗誤差。

為了進一步探究電流變液態光柵的性質,我們做了液態光柵和傳統固態透射光柵的衍射對比實驗,記錄了兩者的衍射圖像(見圖3)。

(a)為液態光柵的衍射圖樣;圖(b)為液態光柵處理后的衍射圖;圖(c)為固態光柵的衍射圖圖3 固態光柵和液態光柵的衍射圖像

同時,我們多次重復了對比實驗,得到了多組實驗數據,并對數據進行了處理,得到了表2。

表2 傳統透射光柵實驗數據表

D1:光柵到屏的距離;d1:光柵常數;x1:衍射條紋間距。數據處理方式與表1的相同。

精制的傳統透射光柵,在1 cm寬度內的刻痕條數是可以選擇的。為了實驗中兩種光柵得到類似尺寸的衍射條紋圖,我們匹配了參數相近的光柵[9-10]。我們在兩次不同光柵的實驗中,控制了光柵到屏的距離和光柵常數的比值相同。最終,我們得出的比對誤差(表3)是兩種不同光柵的衍射條紋間距的比對誤差。

表3 兩種光柵實驗數據對比表

D1:傳統透射光柵到屏的距離;d1:傳統透射光柵的光柵常數;x1:傳統透射光柵的衍射條紋間距。D2:液態光柵到屏的距離;d2:液態光柵的光柵常數;x2液態光柵的衍射條紋間距測量值。

為了直觀看出衍射條紋間距和D/d的數量關系,我們用最小二乘線性擬合的方法,繪制了圖4。

D/d圖中a1表示傳統透射光柵衍射條紋間距,a2表示液態光柵衍射條紋間距。圖4 傳統光柵和液態光柵衍射條紋間距和D/d的關系圖

2 結 論

綜上所述,我們成功制作了一種新型的以電流變液為材料的液態光柵,這種光柵具有根據外界條件可調控的性質。還將傳統的固態透射光柵和新型的液態光柵作了比較,發現它們實驗上都很好的符合光柵衍射公式。電流變液態光柵的缺點是其光柵常數較大,且無法做到像傳統光柵那樣精密。但是,傳統光柵的光柵常數是固定的,而液態光柵的光柵常數是可以物理調節的,這在智能器件中具有巨大的應用價值。