MATERIAŁY ELEKTROREOLOGICZNE
(ELECTRORHEOLOGICAL FLUIDS ERFS)

Materiały elektroreologiczne należą do grupy materiałów inteligentnych zmieniających gęstość.

Materiały elektroreologiczne (ER) są cieczami, które zmieniają swoją konsystencję pod wpływem pola elektrycznego (odpowiedniki materiałów magnetoreologicznych).

Materiały elektroreologiczne
Lepkość cieczy elektroreologicznej zmienia się pod wpływem przyłożonego napięcia: po lewej ciecz RF (czarna) utrzymuje się pomiędzy dwoma elektrodami, do których przyłożone jest napięcie. Na rysunku po prawej, stan kiedy napięcie znika i ciecz traci lepkość.

Jest to gęsta zawiesina mikroskopijnych drobin wielkości rzędu 0,1-100 mikrometrów (układ dyspersyjny), które pod wpływem pola elektrycznego ustawiają się w identycznej pozycji i przyciągają się nawzajem, tworząc uporządkowaną przestrzennie sieć, która znacznie utrudnia przemieszczanie się rozpuszczalnika - a więc płynięcie cieczy.

Efekt ten jest proporcjonalny do natężenia pola elektrycznego. Zmiana dokonuje się w kilka milisekund. Zjawisko to jest odwracalne - po ustąpieniu pola elektrycznego, materiał MR powraca do swych pierwotnych własności. Kierunek układania drobin może być prostopadły lub równoległy do działającego pola elektrycznego. Drobiny ułożone równolegle zapewniajš większą wytrzymałość materiału, w porównaniu z drobinami ułożonymi prostopadle.

Zdjęcie wykonane pod skaningowym mikroskopem elektronowym: cząstki węgla w ER. Podziałka na dole wskazuje 10 ľm.

Najwyższa wytrzymałość dzisiejszych materiałów elektroreologicznych może wynosić nawet 130 kPa - substancja taka jest twarda jak plastik; przemiana taka wymaga oczywiście odpowiednio dużego pola elektrycznego. Dotychczas osiągano konsystencję sera tofu, o wytrzymałości około 10 kPa.
Efekt "utwardzania cieczy" pod wpływem pola elektrycznego nazywany jest także efektem Winslowa, od nazwiska człowieka który był pierwszym badaczem tego zjawiska (lata czterdzieste XX wieku). "Ciecze Winslowa" były oparte na oleju, w którym znajdowała się zawiesina skrobii, wapna, gipsu, węgla lub dwutlenek krzemu. Pierwsze ciecze ER były niedoskonałe, ponieważ zawierały wodę, ograniczającą zakres dopuszczalnych temperatur. Rozwój pierwszych materiałów ER był utrudniony ze względu na wymaganą wiedzę interdyscyplinarną - potrzebna jest znajomość chemii, fizyki, inżynierii i matematyki, co w tamtych czasach nie było powszechne.

Pomimo pozornej prostoty ciecze reologiczne stanowią układ bardzo skomplikowany. Bez działania pola elektrycznego ciecz taka wykazuje płynięcie Newtonowskie, w którym naprężenie ścinające jest proporcjonalne do szybkości ścinania. Ciecz reologiczna po wpływem pola elektrycznego przybiera charakter Binghamowski, który charakteryzuje się dynamiczną granicą sprężystości, tzn. ciecz poniżej pewnego krytycznego naprężenia zachowuje się jak ciało stałe. Poddanie cieczy reologicznych działaniu pola elektrycznego, w zakresie 0-4 kV/mm, powoduje zmianę ich modułu ścinania o kilka rzędów wielkości. Co więcej, zmiana ta zachodzi bardzo gwałtownie, w czasie krótszym od milisekund, co ma istotne znaczenie w układach wymagających szybkich odpowiedzi na sygnał elektryczny. Płyny takie zawierają hydrofilowe cząstki, zdyspergowane w cieczy o wysokiej stałej dielektrycznej. Techniczne ciecze zawierają do 40% obj. cząstek, aby zapewnić użyteczne naprężenia ścinające.

Liczba układów mogących wykazywać zjawisko elektroreologiczne jest niemal nieograniczona. Większość z nich, dla prawidłowego działania, musi zawierać oprócz cząstek i nośnika (cieczy) także dodatkowy składnik absorbujący wodę, która jest najskuteczniejszym aktywatorem. Mechanizm zmiany parametrów reologicznych pod wpływem pola elektrycznego jest ciągle przedmiotem kontrowersji i do tej pory nie ma uniwersalnej, powszechnie akceptowanej, teorii zjawiska elektroreologicznego. Istniejące modele opierają się raczej  na obserwacji, że zmiany właściwości płynu wynikają z tworzenia łańcuszków z hydrofilowych cząstek zawiesiny, która jest w stanie przenosić naprężenia ścinające. Obserwowane zorientowanie cząstek zapewnia układowi złożonemu z wody i cząstek zapewnia układowi złożonemu z wody i cząstek minimum energii potencjalnej. Te tzw. mokre układy wykazują szereg niedogodności, takich jak duża ilość ciepła wytwarzająca się po wpływem pola elektrycznego, konieczność zastosowania dużych energii, ograniczony zakres temperaturowy zastosowań, niestabilność właściwości i szereg innych.

Pojawił się pogląd, że skuteczność zjawiska elektroreologicznego zależy od stopnia i szybkości polaryzacji elektrycznej cząstek, co prowadzi do oddziaływań Coulombowskich pomiędzy cząstkami i skutkuje ich sprzężonym ruchem. Następstwem tej koncepcji jest opracowanie tzw. suchych cieczy elektroreologicznych, w których nośnik cząstek (olej, nafta) nie zawiera wody. Występujące w nich cząstki pochodzą z grup:
- przewodników jonowych (porowate aluminokrzemiany lub zeolity)
- półprzewodników (np. polianilina)
- polielektrolitów (najczęściej metakrylan polilitowy)
- roztworów - w grupie tej lokują się układy reologiczne złożone z dwóch cieczy o odpowiednio dużej i małej lepkości.
Poniżej przedstawione są podstawowe parametry materiałów elektroreologicznych  w zależności od natężenia działającego na nie pola elektrycznego (wyniki z doświadczenia przeprowadzonego przez G. M. Kamatha i N. M. Woreley'a):

Wykres zależności pole elektryczne - naprężenie

Wykres zależności pole elektryczne - lepkość kinematyczna

Poniżej przedstawione są wykresy histerezy ukazujące zależność odkształcenia od naprężenia dla różnych wartości natężenia pola elektrycznego ( wyniki z doświadczenia przeprowadzonego przez G. M. Kamatha i N. M. Woreley'a):

W warunkach laboratoryjnych otrzymano specjalną odmianę cieczy elektroreologicznych - tzw. kriogeniczne ciecze ER, w których substancją rozpraszającą jest ciekły azot, a substancją rozproszoną czysty glin Al. Bez obecności pola elektrycznego zawiesina wykazuje małą lepkość, ale natychmiast po jego włączeniu, mieszanina gwałtownie gęstnieje - pod wpływem prądu zmiennego 100Hz pole 3kV/mm zwiększa efektywną lepkość cieczy 5.4*105 razy. Generalizując można powiedzieć, że efektywna lepkość zwiększa się proporcjonalnie do kwadratu pola elektrycznego. Oddziaływanie pola elektrycznego pršdu stałego jest słabsze od odpowiadającego mu pola prądu zmiennego.

Pomimo niezwykłości cieczy badanych przez Winslowa, powstało bardzo mało produktów przeznaczonych na sprzedaż. Spowodowane było to szeregiem problemów, jak ograniczony zakres dopuszczalnych temperatur, problem przechowywania cieczy w urządzeniach i brak technologii kontrolującej efekt zmiany konsystencji. W obecnych czasach problemy te są rozwiązane, stąd coraz powszechniejsze stosowanie tego typu materiałów takich dziedzinach jak: hydraulika, hydrodynamika, hydrostatyka.

Ze względu na swoje specyficzne własności, materiały ER są stosowane w aktywnych urządzeniach tłumiących drgania, amortyzatorach, elektrycznie kontrolowanych sprzęgłach i zaworach, aplikacjach lotniczych. Materiały MR stosuje się także przy budowie sztucznych kończyn i mięśni (także serca).