電流變液流變行為和結(jié)構(gòu)演化的模擬研究.pdf

1、電流變液作為一個(gè)新型的智能材料，通常為納米或者微米級的具有高介電常數(shù)的介電顆粒與低介電常數(shù)的分散介質(zhì)均勻混合而成的懸浮體系。該材料在外電場作用下表觀粘度迅速增加，表現(xiàn)出類固體的性質(zhì)。在電場下，電流變液的表觀粘度迅速地變化，其原因是由于顆粒在兩電極之間形成的橋聯(lián)結(jié)構(gòu)阻礙了結(jié)構(gòu)進(jìn)一步變化，表明流變性質(zhì)的變化是由微觀結(jié)構(gòu)的變化引起的。電流變液的這種性質(zhì)使其有廣泛的應(yīng)用前景，如減振器、阻尼器等。
　　 電流變液的許多應(yīng)用都需要工作在動態(tài)

2、剪切狀態(tài)下，因此研究電流變液在動態(tài)剪切下的力學(xué)行為是一個(gè)重要的課題。電流變液在動態(tài)剪切下相比靜態(tài)下更復(fù)雜的行為特征，比如在屈服后的非線性行為，電流變效應(yīng)在高速剪切下的迅速降低等。這些力學(xué)行為背后的微觀結(jié)構(gòu)變化及機(jī)理解釋到目前為止還沒有得到很好的解決。為了解決這個(gè)問題，本文在考慮了動態(tài)剪切下存在的顆粒自旋和界面滑移等因素，建立了計(jì)算模型，通過模擬計(jì)算結(jié)合實(shí)驗(yàn)測試的方法研究了電流變液在動態(tài)剪切下的力學(xué)性質(zhì)和流變行為。首先解釋了電流變液的抖動

3、型流變行為；接著建立了動態(tài)弛豫時(shí)間的理論計(jì)算模型；然后研究了顆粒自旋對電流變液流變行為的影響；最后研究了邊界滑移對電流變液力學(xué)性質(zhì)的影響。
　　 采用實(shí)驗(yàn)測試結(jié)合計(jì)算模擬的方法研究了電流變液的抖動型流變行為，并用提出的剪切滑移模型解釋了產(chǎn)生該行為的原因。抖動型流變行為表現(xiàn)為，電流變液的剪切應(yīng)力隨剪切速率的增加有上下起伏的變化，這種特殊的流變行為反應(yīng)了電流變液的微觀結(jié)構(gòu)變化。首先，制備了電流變液并測試其流變曲線，制備的材料表現(xiàn)出了

4、抖動型的流變特征。然后建立了計(jì)算模型，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試的參數(shù)計(jì)算得出了流變曲線的模擬結(jié)果，模擬的曲線與實(shí)驗(yàn)曲線符合。最后用剪切滑移的邊界模型解釋了該特殊的流變行為。電流變液的抖動型流變曲線可以劃分為四個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都能用提出的模型進(jìn)行很好的解釋。
　　 建立了動態(tài)弛豫時(shí)間的理論計(jì)算模型，提高了弛豫時(shí)間在動態(tài)剪切下的計(jì)算精確性。在對電流變液的弛豫行為計(jì)算中，目前仍然采用了以顆粒處于靜態(tài)為基礎(chǔ)計(jì)算的Maxwell-Wagner弛豫時(shí)間

5、，這對電流變液在動態(tài)下的描述有很大誤差。在Maxwell-Wagner模型的基礎(chǔ)上，考慮各參數(shù)隨顆粒自旋角速度的影響，計(jì)算了介電顆粒在旋轉(zhuǎn)情況下的等效介電常數(shù)和等效的電導(dǎo)率，建立了動態(tài)弛豫時(shí)間的唯象模型。動態(tài)弛豫時(shí)間在動態(tài)剪切下更精確，符合實(shí)驗(yàn)測試的結(jié)果。
　　 采用實(shí)驗(yàn)測試結(jié)合計(jì)算模擬的方法研究了在不同弛豫時(shí)間下電流變液的流變行為，發(fā)現(xiàn)弛豫時(shí)間超過一定值后，電流變液的流變現(xiàn)象發(fā)生明顯變化。制備了不同陽離子摻雜的二氧化鈦電流變液

6、，測試了摻雜對電流變液介電性質(zhì)的影響，以及不同介電性質(zhì)電流變液的流變行為。建立了顆粒介電弛豫的計(jì)算模型，計(jì)算了不同弛豫時(shí)間下的流變曲線并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果作比較，發(fā)現(xiàn)當(dāng)弛豫時(shí)間大于10-2秒量級后，電流變液的流變行為發(fā)現(xiàn)明顯的變化。最后提出模型解釋了介電弛豫對電流變液流變行為影響的原因。
　　 采用計(jì)算模擬的方法系統(tǒng)地研究了邊界摩擦對電流變效應(yīng)的影響。考慮到邊界摩擦包括兩個(gè)因素的影響，一個(gè)是邊界摩擦系數(shù)，一個(gè)是法向應(yīng)力。首先，定性和定量