固液气三态变化示意图手写（固液瞬时转变软硬随时调节）

电流变（ER）技术是一种基于电流变效应的先进技术，通过施加电场可以控制介电悬浮液或胶体中分散相的排列，从而使材料的流变学特性甚至声学、透射率等特性发生改变。电流变技术通过电流变材料来实现，其中最常见的是电流变液（ERF）智能材料， ERF的粘度可以通过外加电场进行可逆的调节。从ERF还发展出了电流变弹性体（ERE），ERE的刚度可以通过外加电场进行可逆的调节，因其不沉淀、易于包装等优点而受到广泛关注。除了基本的电流变材料的制造和应用外，电流变技术还用于能源材料制备、石油运输和储能等方面。

电流变技术的主要优点是能耗低、响应速度快（毫秒级）、转换过程可逆。1938年，美国工程师温斯洛在研究受污染油的净化过程时首次记录了“电粘度效应”。1949年，温斯洛尝试将几种不同的固体颗粒分散在绝缘油中，以获得不同的电流变液，并用“电纤维化效应”来描述这种现象。1972年，路易科夫院士编写了第一本关于电流变技术的书《电流变效应》，从此学术界开始用“电流变效应”来称呼这种现象。电流变效应是指在外部电场的作用下，软物质的流变学特性（如粘度、剪切应力、剪切模量等）发生显著变化。经过对物理学、化学和材料科学的多年研究探索，研究人员还发现，不仅材料的流变学特性可以发生变化，并且材料的声学、光学和电学性质也可以受到电场的调节而改变。

在ER技术中，研究历史最久的材料是电流变液（ERF），这是一种对电场智能响应的软物质材料，通过施加外部电场，其流变学特性会发生显著且可逆的变化。在不加外部电场时，ERF呈液体状态，施加一个外部电场后，ERF的粘度迅速增大，并在电场到达一定阈值后呈现出类似固体的状态。在温斯洛发现ER现象后的几十年里，各种各样的ERF被研发出来，然而较差的力学性能限制了其工业应用，直到2003年，温维佳等人研制出了屈服强度高达100 kPa的巨电流变液（GERF），ER技术由此进入了一个新的时代。

ER效应的原理主要是ER粒子在外部电场的作用下发生极化，形成偶极现象。具有偶极矩的粒子产生定向排列，使粒子从无序变为有序，形成链或柱结构，从而呈现外部抵抗剪切的ER效应。ERF成分较为复杂，因此ER效应的原因和理论也很复杂。自从ERF发现以来，科学家提出了许多理论。 例如 1949年提出的电致纤维理论、1967年提出的双电层理论、1983年提出的“水桥”理论。然而，电致纤维理论无法解释ERF的毫秒级快速响应时间，而双电层理论和“水桥”理论只能用于解释含水的ERF产生的ER效应。目前比较流行的理论包括介电模型、表面饱和极化模型、极性分子取向键合模型以及饱和取向极化模型等。

ERF主要由连续相、分散相、添加剂三部分组成，其中连续相大多使用硅油，添加剂常见的是一些表面活性剂，而分散相粒子由于其成分、形貌、性质的不同而呈现出多种多样各不相同的情况。

分散相粒子的介电性能对ERF的ER性能影响最大，一般选用相对介电常数较大的材料例如二氧化钛（TiO2）等来作为分散相粒子，这样能够在电场下产生更强的极化，从而得到更好的ER效应。而粒子的大小、形貌等等同样对ER性能有着明显的影响。近些年，多种多样的分散相粒子被合成制备出来，并取得了优良的电流变效应，不仅仅局限在形状规则的球形纳米粒子，纳米棒、纳米花甚至形状不规则的微纳米分散相粒子都在实验中获得了优良的电流变效应。分散相粒子的创新也是目前提高ERF性能的一个主要聚焦方向。

电流变弹性体（ERE）是另一类电流变材料，由于电流变液（ERF）存在的诸如易沉降、难封装等弊端限制了ERF的应用，研究人员将组成ERF的连续相流体（例如硅油等）改变为弹性体（如硅橡胶等），研发出了ERE。ERE呈固态，不存在沉降、封装等难题，其电流变效应表现为剪切模量和压缩模量随着外加电场的变化，即软硬程度的变化。ERE同样由连续相、分散相、添加剂三部分组成，其中分散相与ERF的分散相完全相同，为各类介电的ER粒子，而其连续相为弹性体，大多数采用硅橡胶例如聚二甲基硅氧烷（PDMS）。ERE的原理与ERF相似，也是由于ER粒子在电场下有成链的趋势，而由于弹性体基体的交联网络限制了ER粒子的自由运动，故其ER效应在表观上不如ERF那么明显。

电流变材料由于其粘度可调、刚度可调的特性，在很多领域内都得到了应用。例如ERF在微流控技术中得到了广泛的应用，在微阀、微泵、微混合器、微整流器中，通过调节电场，可以用ERF来控制液体的流动。ERF还可以用作阻尼器、减震器，由于ERF可实时调控的特性，用在阻尼器或减震器上能够获得比传统器件更好的阻尼和减震效果。

ERE的应用范围则要更广泛。在外部电场下，ERE中的介电粒子发生取向极化，剪切模量显著增强，压缩模量也随电场增大，宏观表现为软硬程度发生变化。由于ERE的弹性体特性，用ERE制造的阻尼器、减震器等器件，在结构上更简单，在工作时也更稳定，近年来得到了越来越多的关注。ERE由于其刚度的可调性，近年来也被应用于可穿戴设备、柔性电子、医疗康复设备、运动控制、智能体育器材、执行器等等场景中。

由于ER效应的独特特性，分散相在外部电场条件下形成链，不仅可以通过调节电场方向来调节悬浮液的粘度，还可以改变系统的折射率和电导率。因此，电流变技术的应用范围非常广泛。除了常见的ERF和ERE外，它还可以应用于许多领域，如原油运输、食品加工、电容器、能源技术和新型传感器等等。

2006年，研究人员基于ER技术提出了一种新的原油运输方法，通过在原油流动方向上施加电场来降低原油的粘度，旨在降低运输能耗，提高运输效率。随后，又有研究人员证明了蜡质原油的降低粘度效果与电场方向无关。除原油运输外，通过ER技术降低流体粘度的方法也已经用在了食品加工领域，例如通过该方法降低巧克力中的脂肪含量。融化的脂肪在巧克力生产中充当连续相，使可可、糖、乳固体等颗粒均匀分散。如果脂肪含量降低，粘度高，巧克力难以融化。基于ER技术，研究人员使用外部电场降低了熔融巧克力的粘度，从而使得减少巧克力中的脂肪成为可能。

ER技术还应用于电容器和锂电池等领域。当电容器充电时，电容器中流体的粘度会增加，这将阻碍离子扩散性的降低，从而导致了漏电流的减小和自放电的抑制。在制备锂电池的过程中施加外部电场，可以将复合电解质中的陶瓷颗粒对齐，形成高效的3D锂离子导电网络，这对开发高性能固体电解质具有重要意义。另外，在ER粒子表面修饰生物传感介质，可使得ER体系的透明度随生物检测和电场发生变化，从而可用于疾病监测。

目前，对于ER材料的研究和开发，重点还是对其分散相的研究，因为分散相的材料类型、介电和导电性能、粒径、粒子体积分数等对ER性能起着至关重要的作用。近年来，研究人员发现粒子的结构和几何形状对ER材料产生了巨大影响。特别是具有中空结构和棒状几何形状粒子型ERF的性能远远超过球形粒子型ERF。除此之外，ER材料、ER技术的应用也越来越广泛，无论是ERF固液瞬时转变，还是ERE软硬随时调节，以及ER技术引起的其他物质特性的变化，都在广泛的领域和场景得到了实际的应用。

参考文献：

1. Yudai Liang, Dongyang Huang, Xuefeng Zhou, et al. Efficient Electrorheological Technology for Materials, Energy, and Mechanical Engineering: From Mechanisms to Applications. Engineering. 2022. https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.01.014