电流变液的平板剪切试验.PDF

电流变液的平板剪切实验 项旭堃 08300190024 摘要： In the plate-shearing experiment about the yield stress fluid, the fluidization of theYSF could be observed after a longtime,duringwhichtheYSF exhibit shearbandingbeforefinally reachesasteadystate. 关键词：电流变液 流化 平板剪切 剪切应力 引言 电流变液(ElectrorheologicalFluids) 简称EF，发展历史已经有近50年了。电流变液也被称为智能 材料，是由于它具有受控变化的品质，其屈服应力、弹性模量能够通过控制外加电场来进行调节。早 期的EF 性能较差，上世纪八十年代末EF 材料的研究得到突破，使它有可能逐渐获得广泛的应用。 本实验通过观察平板剪切实验观测电流变液的基本现象，研究平板剪切状态下样品长时间的流化 过程及其现象。 理论原理 1. 电流变液 电流变液颗粒是介电小颗粒和油液的混和体。在外加电场超过临界电场时，在毫秒的响应时间内 能够实现液相到固相的转变，并且这种变化是可逆的。 电场为零时，颗粒在油液中随机分布（a）；随着电场强度的逐渐增加，电流变液中的固体微粒的 极化强度逐渐增强；不处于剪切状态下或处于微弱剪切状况下的电流变液，在电场的作用下，固体颗 粒极化后可以排成“链”(b)，进一步加大电场又会使链之间的相互作用加强，而使“链”聚集成“柱” (c)。 图1. 电流变液的结构[1] 电流变液中的颗粒在外电场作用下被极化为强电偶极子后，会相互作用，形成一定的微观结构， 对外加剪切变形等产生阻力。研究形成微观结构过程及微观结构本身对理解电流变效应机理及实现 对电流变液稳态和动态力学性能的准确描述，从而对相关应用进行指导具有重要意义。 2. 颗粒在基础液中受到的作用力 电流变液中的介电颗粒在基础液中的运动主要由电场力、粘性力、热运动力、体积力等决定。 电场力：颗粒间的静电力主要受外电场强度，颗粒和基础液的介电常数、电导、颗粒尺度等因 素影响，可根据各种极化模型进行计算。 粘性力：颗粒在基础液中运动时，受到的粘性阻力主要受基础液粘度、颗粒尺度、温度等因素 影响。 热运动力：基础液分子的布朗运动会影响颗粒的运动，主要受基础液粘度和温度的影响。 体积力：颗粒受到的体积力包括重力、浮力、离心力、惯性力等，和颗粒的质量、尺度，在基 础液中的运动状态密切相关。对于体积力的研究还很少，往往被忽略。比如在零电场时，颗粒受到 的重力会导致沉淀。但是加上电场后，由于体积力相对电场力要小的多往往就被忽略了。 颗粒在电场力、粘性力、热运动力等作用下形成颗粒链结构。可以认为颗粒链结构由各个力的 比值决定。 3. 电流变液的剪切力学特性 利用双粘度模型中，我们可以讲剪切应力表示为 ⎧τ =ηγ̇ (τ τ1) ⎨ r ̇ τ =τ +ηγ τ ≥τ ⎩ 0 ( 1) 其中 是剪切屈服应力，可以表示为电场强度 E 的函数 α ，k 和 是取决于电流变液性 τ τ (E)= kE α 1 1 质的两个参数。零电场时屈服应力为零，电流变液呈牛顿流体特性；施加电场后，在剪切力大于 的 τ