電流變液的力學性能研究及其微觀結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、作為一種典型的智能材料，電流變液的力學性能在外加電場下能夠發(fā)生顯著的變化，而且這種變化是快速可逆的。鑒于這種特殊性質(zhì)，電流變液在力電耦合裝置中具有廣闊的應用前景。因此，電流變液力學性能變化的機理分析一直以來就是電流變液研究領(lǐng)域的重點和難點。在外加電場作用下，電流變顆粒在極板間形成鏈狀結(jié)構(gòu)使電流變液的剪切應力和表觀粘度顯著增加。電流變液工作狀態(tài)下的微觀結(jié)構(gòu)與力學性能的關(guān)系是解釋電流變機理的關(guān)鍵所在。由于實驗條件的限制，電流變顆粒的微觀結(jié)構(gòu)

2、很難直接被觀測到，因此模擬計算成為了研究電流變液機理的重要方法。通過實驗現(xiàn)象驗證計算模型的正確性，用模擬計算的結(jié)果解釋實驗中觀測的現(xiàn)象，是目前電流變液機理研究常用而有效的手段。本文采用實驗與計算模擬相結(jié)合的方法全面研究了電流變液在壓縮和剪切時的力學性能變化，并探究了其中不同影響因素的作用機理，具體工作內(nèi)容如下:
　　1.通過實驗結(jié)合模擬計算的方法研究了電流變液在壓縮模式下法向應力的變化情況。電流變液在壓縮時表現(xiàn)出較高的法向應力，測

3、試了壓縮速度對電流變液法向應力的影響。同等條件下壓縮速度越小，電流變液的法向應力越大。這是在外加電場作用下電流變液的顆粒與基液分離的現(xiàn)象導致的，壓縮速度越小，顆粒與基液分離的現(xiàn)象越顯著，電流變顆粒的鏈狀結(jié)構(gòu)更穩(wěn)固，可以承載更大的應力。然后基于偶極子模型，提出了電流變液的壓縮模型，將模擬結(jié)果和實驗結(jié)果進行了比較，驗證了壓縮計算模型的可靠性。模擬研究了外加電場強度、壓縮應變、剪切速率對電流變液法向應力的影響。剪切速率較小時，剪切作用對電流變

4、液法向應力的影響很小;隨著剪切速率的增大，電流變液的法向應力在逐漸減小。在剪切作用下電流變液的法向應力有振蕩變化的現(xiàn)象。通過對微觀結(jié)構(gòu)的計算發(fā)現(xiàn)較大的剪切速率下電流變顆粒的微觀結(jié)構(gòu)不斷地破壞與重組是法向應力振蕩的原因。
　　2.通過實驗和模擬計算研究了剪切場中介電損耗對電流變液力學性能的影響。采用鍶離子摻雜的方法改變二氧化鈦顆粒的介電損耗性能，測試了改性后顆粒的介電損耗頻譜圖和電流變液的剪切流變曲線，發(fā)現(xiàn)了介電損耗對電流變液流變性

5、能的影響。鍶離子摻雜比例的提高降低了電流變顆粒的弛豫頻率，介電損耗增大，電流變液的電流變效率也在逐漸降低。當顆粒的弛豫頻率低于100 Hz時，電流變液在一定的剪切速率范圍內(nèi)失去電流變效應，有效工作范圍減小。模擬研究了介電損耗過程中的弛豫時間對電流變液力學性能的影響。當弛豫時間超過0.01 s后，臨界剪切速率降低，電流變有效工作范圍減小，與實驗中的結(jié)論一致。給出了介電損耗對電流變液影響的機理解釋，弛豫頻率過大時顆粒偶極矩方向和顆粒鏈方向不

6、一致，使得顆粒鏈方向顆粒間的相互作用力減弱，甚至由吸引力變?yōu)榕懦饬Γw粒鏈狀結(jié)構(gòu)的強度降低。
　　3.模擬研究了剪切作用下電流變液力學性能的變化，結(jié)合實驗研究了不同狀態(tài)下的剪切速率對電流變液剪切應力變化的影響。利用基于偶極子極化理論的計算模型，研究了體積分數(shù)、電場強度和剪切速率對電流變液力學性能的影響。然后進行了穩(wěn)態(tài)剪切下的二維模擬和微觀結(jié)構(gòu)的計算，以此來解釋剪切速率對電流變液力學性能的影響。通過實驗發(fā)現(xiàn)了剪切速率對電流變液剪切應