剪切增稠液及阻尼器性能研究

周 鴻，郭朝陽(yáng)，宗路航，宣守虎，龔興龍

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 近代力學(xué)系，中國(guó)科學(xué)院材料力學(xué)行為與設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230027)

沖擊、振動(dòng)為較普遍自然現(xiàn)象，廣泛存在于工業(yè)生產(chǎn)、軍事設(shè)備中。為避免其造成的干擾及破壞，沖擊與振動(dòng)的能量吸收與耗散頗受重視。粘滯液體阻尼器便是諸多能量耗散設(shè)備中的一種。該阻尼器一般由彈性單元與粘性單元組成，二者分別由彈簧及粘滯介質(zhì)提供［1－2］。常見(jiàn)的粘滯介質(zhì)為牛頓流體，即其粘度為常數(shù)，構(gòu)造尺寸確定阻尼力輸出特性，故無(wú)法滿足復(fù)雜的工況需求。為此，新型的主動(dòng)或半主動(dòng)材料如電流變液、磁流變液被用于研發(fā)、制造阻尼設(shè)備［3－6］。該材料自身的流變特性能在電場(chǎng)或磁場(chǎng)作用下發(fā)生改變，通過(guò)改變控制電場(chǎng)或磁場(chǎng)電流改變材料的粘度特性，以適應(yīng)不同的外界加載情況［7－8］。目前已廣泛應(yīng)用于減震器、離合器、制動(dòng)器等設(shè)備。而其不足之處在于工作時(shí)需有外部激勵(lì)電源，且因附加電場(chǎng)或磁場(chǎng)裝置導(dǎo)致設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

STF為場(chǎng)響應(yīng)材料，其流變特性隨外加應(yīng)力場(chǎng)的變化而變化。與電流變液、磁流變液等不同，STF勿需外部激勵(lì)電源，其粘度隨剪切速率變化而變化。研究表明STF在高速?zèng)_擊下會(huì)發(fā)生固化，粘度急劇升高，而外載撤去后，STF又能迅速恢復(fù)液態(tài)［9－12］。STF粘度隨剪切速率急劇上升表現(xiàn)出的強(qiáng)烈非線性特點(diǎn)，已引起學(xué)界關(guān)注。對(duì)STF一系列研究揭示了納米顆粒大小、分散介質(zhì)粘度、溫度、剪切應(yīng)變幅值等因素對(duì)剪切增稠效應(yīng)均具重要影響［9，13－18］。運(yùn)用如流變光學(xué)、中子散射、計(jì)算模擬研究 STF的轉(zhuǎn)變過(guò)程及增稠機(jī)制［19－21］。其中“粒子簇”理論得到廣泛支持［22－23］。Galindo－Rosales等［24－25］據(jù)STF實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出表觀粘度的現(xiàn)象模型。隨著對(duì)STF的深入研究，其抗沖擊性能得以重視，逐漸用于制造防護(hù)裝置。Lee等［26－28］將STF加入復(fù)合增強(qiáng)纖維中以研究其防穿刺能力。Zhang等［29］設(shè)計(jì)以STF為粘滯介質(zhì)的單出桿粘滯阻尼器并研究其動(dòng)態(tài)特性。

以STF為基礎(chǔ)的耗能減震設(shè)備特點(diǎn)為無(wú)源、自適應(yīng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。目前關(guān)于STF的研究多集中在性能表征及影響因素，減震抗沖擊應(yīng)用研究相對(duì)較少。本文通過(guò)將STF與實(shí)際設(shè)備結(jié)合，并考慮在不同工況下的動(dòng)態(tài)性能，為進(jìn)一步工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。研究中，制備以聚苯乙烯－丙烯酸乙酯納米粒子為分散介質(zhì)，乙二醇為分散相的剪切增稠液，并測(cè)量其流變特性。以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)加工雙出桿式阻尼器原型樣機(jī)，并測(cè)試其動(dòng)態(tài)特性。通過(guò)有效剛度、有效粘滯阻尼建立線性模型，比較不同加載工況下的阻尼器性能，定性地評(píng)價(jià)阻尼器的彈性特性、阻尼特性。

1 剪切增稠液材料及性能測(cè)試

用乳液聚合法，以上海國(guó)藥集團(tuán)生產(chǎn)的苯乙烯(ST)及丙烯酸乙酯(EA)為原料，加入過(guò)硫酸鉀(KPS)引發(fā)劑，水浴加熱至70℃進(jìn)行反應(yīng)，對(duì)生成的反應(yīng)物清洗、烘干，得到聚苯乙烯－丙烯酸乙酯(P(ST－EA))納米顆粒。所有操作均在氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行。圖1為掃描電鏡拍攝的納米顆粒。由圖1看出，P(ST－EA)納米顆粒呈規(guī)整球形，整體形貌良好，粒徑均一，單分散性較好，平均直徑約430 nm。采用由P(ST－EA)納米顆粒(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為68%STF樣品)、乙二醇混合而成的STF。取出一定量納米顆粒逐次加入乙二醇中，并用球磨機(jī)研磨，使納米顆粒均勻分散在乙二醇中，從而獲得實(shí)驗(yàn)所需剪切增稠液。

圖1 聚苯乙烯－丙烯酸乙酯納米顆粒的掃描電鏡圖Fig.1 SEM images of P(ST-EA)particles

用流變儀(MCR301，Anton Paar Company，Germany)的錐板部件對(duì)STF進(jìn)行常溫(25℃)下流變性能測(cè)試。錐板直徑25 mm，錐頂角0.2°，錐板與樣品載物臺(tái)平面間隔0.05 mm。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用流變測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)程序，并在測(cè)試開始前進(jìn)行預(yù)剪切。測(cè)試重復(fù)三次，取平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖2為STF樣品三次重復(fù)測(cè)試的流變性能曲線。在流變測(cè)試中，剪切速率從0變化到200 s－1。由圖2看出，STF的粘度變化呈現(xiàn)，顯著的非線性及良好的重復(fù)性。剪切速率較小時(shí)STF粘度隨剪切速率增大而減小;超過(guò)臨界剪切速率時(shí)STF粘度急劇增大，而后又減小。剪切速率較高時(shí)有部分STF樣品從錐板邊緣被甩出，使測(cè)量所得STF粘度值并不準(zhǔn)確，但Laun等［10］研究表明STF粘度達(dá)到最大值后粘度隨剪切速率的增大會(huì)再次減小，減小幅度遠(yuǎn)小于圖2所示。STF樣品的初始粘度約15 Pa·s，臨界剪切應(yīng)變速率為20 s－1，最大粘度接近180 Pa·s。

圖2 STF流變性能測(cè)試曲線Fig.2 Rheological properties of STF

圖3 儲(chǔ)能、耗能模量實(shí)驗(yàn)曲線Fig.3 Storage modulus and loss modulus of STF

圖3(a)、圖3(b)分別為動(dòng)態(tài)應(yīng)變掃描測(cè)試及動(dòng)態(tài)頻率掃描測(cè)試中儲(chǔ)能模量(G’)與耗能模量(G”)的變化曲線。由圖3(a)看出，當(dāng)剪切應(yīng)變速率處于臨界剪切速率(45 s－1)以下時(shí)，儲(chǔ)能、耗能模量大小相當(dāng)，約100 Pa。當(dāng)超過(guò)臨界剪切應(yīng)變速率后，儲(chǔ)能、耗能模量迅速增大，儲(chǔ)能模量最大值達(dá)300 Pa，耗能模量最大值達(dá)1500 Pa;而在動(dòng)態(tài)頻率掃描測(cè)試的圖3(b)中，儲(chǔ)能模量最大值為12 kPa，耗能模量最大值為21 kPa。其中耗能模量增大的速率明顯高于儲(chǔ)能模量，由此表明STF樣品耗能能力在短時(shí)間內(nèi)得到迅速提升。使STF作為一種新型能量吸收、耗散材料可有效用于抗沖擊及減震設(shè)備(如阻尼器、制動(dòng)器等)，具有巨大的開發(fā)價(jià)值。

2 阻尼器設(shè)計(jì)

STF阻尼器樣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖4。采用雙出桿式設(shè)計(jì)，避免單出桿式附加腔室對(duì)剪切增稠性能影響，亦使拉壓加載時(shí)能輸出對(duì)稱的阻尼力。阻尼器內(nèi)部充滿STF，當(dāng)外界施加載荷時(shí)，活塞桿運(yùn)動(dòng)，迫使活塞一側(cè)的STF經(jīng)活塞與氣缸內(nèi)壁間隙流至另一側(cè)。由于粘度影響，在STF與機(jī)械表面間生成的粘滯阻力為阻尼器提供輸出力。通過(guò)對(duì)流動(dòng)間隙大小的設(shè)計(jì)，可調(diào)節(jié)STF流過(guò)間隙時(shí)的剪切應(yīng)變速率;也能通過(guò)制備擁有不同流變特性的STF，使阻尼器工作在STF的剪切增稠區(qū)間內(nèi)，粘度增大，輸出阻尼力提高，耗能能力上升。

圖4 剪切增稠液阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Configuration of STF － filled damper

阻尼器位移幅值±10 mm，氣缸直徑50 mm，活塞桿直徑15 mm，活塞直徑44 mm，即活塞與氣缸內(nèi)壁間隙為3 mm。

3 阻尼器性能測(cè)試

用材料測(cè)試系統(tǒng)(MTS 809)研究STF阻尼器的動(dòng)態(tài)特性。阻尼器與實(shí)驗(yàn)裝置安裝見(jiàn)圖5。阻尼器縱向固定在MTS上。MTS下部由液壓驅(qū)動(dòng)控制輸出位移，并利用LVDT采集位移信號(hào)，上端部通過(guò)力傳感器測(cè)量阻尼力數(shù)值，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)保存在電腦中便于后續(xù)處理。用正弦激勵(lì)作為位移信號(hào)輸入，對(duì)不同激勵(lì)振幅及激勵(lì)頻率下阻尼器的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行測(cè)試。每次測(cè)試重復(fù)十次，取穩(wěn)定時(shí)的平均值得到輸出力－位移的滯回曲線。測(cè)試的激勵(lì)振幅分別為1 mm，2 mm;激勵(lì)頻率分別為 0.1 Hz，0.2 Hz，0.5 Hz，1 Hz，2 Hz，5Hz。

圖5 剪切增稠阻尼器及MTS測(cè)試系統(tǒng)Fig.5 Schematics of STF-filled damper and MTS

對(duì)流動(dòng)間隙3 mm的阻尼器進(jìn)行MTS測(cè)試研究其動(dòng)態(tài)特性。不同振幅、頻率下的阻尼力、位移關(guān)系見(jiàn)圖6。由圖6看出，滯回曲線形狀對(duì)激勵(lì)頻率、振幅的變化非常敏感。當(dāng)激勵(lì)頻率較小時(shí)(圖6(a)、圖6(c))，活塞速度較低，剪切速率亦較低，STF有輕微的剪切變稀行為。滯回曲線呈傾斜的橄欖狀，有微弱的粘彈性行為。阻尼器輸出的最大阻尼力大小基本不變，約100 N。隨著激勵(lì)頻率增大至臨界頻率，活塞速度增大，剪切速率隨之增大，導(dǎo)致STF發(fā)生剪切增稠，粘度躍升。此時(shí)滯回曲線發(fā)生巨大改變(圖6(b)、圖6(d))，輸出阻尼力顯著增大，但其飽滿程度明顯下降。圖6(b)，當(dāng)激勵(lì)振幅為1 mm、激勵(lì)頻率1 Hz時(shí)，最大阻尼力由100 N升高到5 000 N，滯回曲線主軸斜率明顯增大。隨著激勵(lì)頻率繼續(xù)增大，最大阻尼力略有增加;當(dāng)激勵(lì)頻率為5 Hz時(shí)達(dá)6 400 N。此外，最大阻尼力及激勵(lì)振幅亦有密切聯(lián)系。由圖6(d)看出，當(dāng)激勵(lì)振幅2 mm、激勵(lì)頻率0.5 Hz時(shí)，阻尼器輸出的最大阻尼力由100 N升高到7 000 N。表明隨著激勵(lì)頻率繼續(xù)增大，輸出的最大阻尼力仍有明顯增加，當(dāng)激勵(lì)頻率為1 Hz時(shí)最大阻尼力可達(dá)11 000 N。

由不同激勵(lì)振幅實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比中看出，當(dāng)激勵(lì)頻率較低時(shí)，輸出的阻尼力大小基本相等。隨著激勵(lì)頻率升高，活塞速度增大，激勵(lì)振幅較大的阻尼器率先達(dá)到臨界速率，輸出的阻尼力激增。說(shuō)明STF阻尼器低頻時(shí)輸出力與激勵(lì)頻率、激勵(lì)振幅及活塞速度無(wú)關(guān)，高頻時(shí)表現(xiàn)為速度相關(guān)型阻尼器特征。

值得注意的是，當(dāng)阻尼力處于零值附近時(shí)，滯回曲線產(chǎn)生顯著的平移現(xiàn)象，使滯回曲線飽滿程度下降，其原因?yàn)镾TF初始粘度大，流動(dòng)性較差，活塞運(yùn)動(dòng)引起剪切增稠效應(yīng)，使STF發(fā)生固化;而激勵(lì)頻率較高時(shí)STF未能及時(shí)恢復(fù)成液態(tài)，阻礙了STF在氣缸中的流動(dòng)，導(dǎo)致活塞一側(cè)留有少量空隙，阻尼器輸出力曲線發(fā)生一定程度平移，造成其飽滿程度下降。另外，活塞拉壓運(yùn)動(dòng)時(shí)阻尼器輸出力不相等，可認(rèn)為因阻尼器縱向安裝，使阻尼器兩端密封處STF分布不均，從而對(duì)活塞桿與密封圈的摩擦力形成影響，導(dǎo)致阻尼器的輸出力產(chǎn)生差異。

圖6 不同工況下的力－位移曲線Fig.6 Experimental force-displacement loops for STF-filled damper with varied frequency and amplitude

圖7 最大輸出力與最大活塞速度關(guān)系Fig.7 Maximum force versusmaximum velocity of piston

圖8 有效剛度、有效粘滯阻尼隨激勵(lì)頻率變化曲線Fig.8 Effective stiffness and viscous damping versus frequency

圖7為阻尼器最大輸出力與活塞速度最大值關(guān)系曲線。由圖7看出，隨著活塞速度超過(guò)臨界值，阻尼器內(nèi)部STF發(fā)生剪切增稠，使阻尼器輸出的阻尼力急劇增大，由100 N上升到10 000 N以上。激勵(lì)振幅增大，臨界剪切速度減小，阻尼器更快進(jìn)入剪切增稠區(qū)間，輸出阻尼力的極值隨之增大。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

STF阻尼器輸出的力－位移滯回曲線表現(xiàn)出彈性剛度與粘滯阻尼的雙重特性。用同時(shí)考慮剛度、阻尼影響的線性模型描述阻尼器性能，表達(dá)式為:

其中:keff為有效剛度;ceff為有效阻尼;x為活塞偏離平衡位置位移。有效剛度、有效阻尼可表示為:

其中:A+，A－分別為活塞偏離平衡位置的正負(fù)位移幅值;F+，F(xiàn)－為活塞位移分別為A+，A－時(shí)的輸出阻尼力;wd為每次加載循環(huán)耗散能量，即輸出力－位移滯回曲線圍成的面積;ω為激勵(lì)角頻率;A為激勵(lì)振幅。

圖8(a)、圖8(b)分別為激勵(lì)振幅1 mm、2 mm時(shí)有效剛度、有效粘滯阻尼隨激勵(lì)頻率變化曲線。由圖8(a)看出，激勵(lì)頻率較低時(shí)，阻尼器的有效剛度為70 N/mm，有效粘滯阻尼為85 N·s/mm;激勵(lì)頻率逐漸升高時(shí)，有效剛度并無(wú)明顯變化，而有效粘滯阻尼逐漸減小至25 N·s/mm，此因?yàn)镾TF處于低剪切速率時(shí)粘度隨剪切速率增大而減小;激勵(lì)頻率超過(guò)臨界頻率后，有效剛度、有效粘滯阻尼均有顯著增大，分別達(dá)到4 500 N/mm、310 N·s/mm;隨著激勵(lì)頻率繼續(xù)升高，有效剛度繼續(xù)增大，達(dá)到5 800 N/mm，但增大速度減小，有效粘滯阻尼卻迅速下降到初始水平，約為65 N·s/mm。圖8(b)中有效剛度、有效阻尼變化趨勢(shì)與之相同，但有效剛度較小，隨激勵(lì)頻率增大由40 N/mm升高至4 800 N/mm，有效粘滯阻尼最大值為760 N·s/mm，達(dá)1 mm激勵(lì)振幅的兩倍。表明激勵(lì)振幅增大，阻尼器剛度減小，粘滯阻尼增大，耗能能力提高。

結(jié)合MTS實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖6)進(jìn)行分析，認(rèn)為起始工作時(shí)，STF阻尼器表現(xiàn)出輕微的粘彈性效應(yīng)，激勵(lì)頻率升高，STF進(jìn)入剪切變稀工作區(qū)，粘度減小，使有效粘滯阻尼減小;激勵(lì)頻率升高到臨界頻率以上，STF粘度激增，從而阻尼器輸出的阻尼力急劇增大，有效剛度、有效粘滯阻尼亦迅速增大，有效剛度持續(xù)上升的原因?yàn)镾TF發(fā)生剪切增稠而出現(xiàn)類固化，在剪切速率變化過(guò)程中無(wú)法及時(shí)完全恢復(fù)為液相，使流動(dòng)間隙發(fā)生部分壅塞，造成活塞對(duì)一側(cè)液體形成壓縮。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)制備的以聚苯乙烯－丙烯酸乙酯納米粒子為分散介質(zhì)、乙二醇為分散相的剪切增稠液，測(cè)量其流變特性表明，在低剪切應(yīng)變速率下，STF粘度隨剪切應(yīng)變速率增大而減小，有輕微的剪切變稀;達(dá)到臨界剪切應(yīng)變速率后，其粘度急遽增大，有強(qiáng)烈的剪切增稠。且其儲(chǔ)能、耗能模量與粘度變化趨勢(shì)相同。在一定剪切應(yīng)變速率范圍內(nèi)，耗能模量可達(dá)21 kPa。

(2)研制以STF為工作介質(zhì)的雙出桿間隙式粘滯阻尼器，并用MTS測(cè)試其在不同激勵(lì)頻率、激勵(lì)振幅下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。用以有效剛度、有效粘滯阻尼建立的線性模型定性評(píng)價(jià)STF阻尼的彈性效應(yīng)、粘性效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)活塞速度低于臨界速度時(shí)，STF阻尼器輸出力很小;當(dāng)活塞速度超過(guò)臨界速度時(shí)，輸出力迅速增大，有效剛度、有效粘滯阻尼亦急劇增大，可大大提高阻尼器的耗能能力。隨著活塞速度繼續(xù)增大，由于STF剪切增稠造成的類固化未能完全恢復(fù)，使阻尼器仍能提供很高的阻尼力。

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