CN101089591A - 测量电流变液剪切强度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量电流变液剪切强度的装置及方法，两平行电极板分别安装在绝缘板的槽内，两电极板间的槽内放置电流变液，安装步进电极驱动，通过力传感器测量施加其中一个电极板或者安置在电流变液中的剪切片上的力，从而计算电流变液的剪切强度，克服了现有技术中电流变液与电极板表面之间会发生“打滑”的现象，测量得到的是高屈服强度电流变液—极性分子型电流变液的真实剪切强度。

Description

测量电流变液剪切强度的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种电流变液剪切强度的测量方法，特别涉及一种极性分子型高屈服强度电流变液的剪切强度的测量方法。

背景技术

电流变液(Electrorheological Fluids，简称ERF)是一种新型的智能功能材料，是由介电颗粒与绝缘液体混合而成的复杂流体。在没有外电场作用下，电流变液呈液体状态，当外加电场作用于电流变液时，电流变液的剪切强度随电场的增加而变大。当电场足够大时，电流变液转变成类似固体物质。且这种剪切强度转变是可逆的，响应时间为毫秒量级。由于其独一无二的的软硬可调的特性，使其在工业、军事等领域有非常广泛的应用前景。

现有测量电流变液剪切强度方法，是采用一般测量液体黏度的方法和设备改装而成，主要改装部分是增添施加电场的相关部分，包括电极和绝缘。所用流变仪主要是两类，转动平板式流变仪和圆筒流变仪。

测量电流变液剪切强度时，一般以金属极板作为正、负电极。对于传统的电流变液材料，剪切强度较低，一般不超过10kPa。同时，根据传统电流变液的原理，电极表面处与电流变液体内状态类似，用金属为正、负电极的这些方法测量得到的流变性能基本反映了电流变液本质特性。

对于高屈服强度电流变液-极性分子型电流变液，屈服强度达数百kPa或更高，比传统电流变液的高几十倍以上。通常电极板表面处不满足极性分子取向和作用条件，电流变液与电极板表面之间会发生“打滑”，测量得到的是电流变液与电极板之间的特征，比电流变液的实际剪切强度值低得多。因此，现有的平板或圆筒流变仪不能测量到高屈服强度电流变液-极性分子型电流变液的真实剪切强度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够测量极性分子型电流变液本身的真实剪切强度方法。

本发明所述的电流变液剪切屈服强度的测量装置，两平行电极板分别安装在绝缘板的槽内，装配成一体，两电极板间的槽内放置电流变液。所述的槽形状为矩形、正方形等。制作的槽的尺寸和形状根据不同测量要求确定。

所述的绝缘板选自尼龙、聚四氟乙烯、有机玻璃、环氧树脂、塑料、陶瓷、玻璃、蓝宝石。要求绝缘、强度高、不易变形。

本发明所述的电流变液剪切强度的一种测量方法，将上述测量装置的其中一个安装了电极板的绝缘板固定，另一电极板的绝缘板由步进电机驱动，力传感器测量施加电极板上的力F，用公式 $\mathrm{\τ}=\frac{F}{S}$ 计算剪切强度，其中S＝lh为剪切电流变液的面积。通过测量位移速度，计算剪切位移量。由剪切强度-位移曲线的剪切强度最大值，可得剪切屈服强度值。由剪切强度随形变量变化(位移与电流变液样品宽度l之比)的斜率可计算出电流变液剪切模量。

本发明所述的电流变液剪切强度的另一种测量方法，上述测量装置的两安装了电极板的绝缘板保持固定不动，将剪切片插入绝缘板槽内的电流变液中，推动或拉动剪切片，测量施加在剪切片上的力F，用公式 $\mathrm{\τ}=\frac{F}{2S}$ 计算剪切强度，其中S＝lh为剪切电流变液的面积。通过测量剪切片位移速度，计算剪切位移量。由剪切强度-位移曲线的剪切强度最大值，可得剪切屈服强度值。由剪切强度随形变量变化(位移与电流变液样品宽度l之比)的斜率可计算出电流变液剪切模量。

所述的剪切片选自尼龙、聚四氟乙烯、有机玻璃、环氧树脂、塑料、陶瓷、玻璃、蓝宝石。要求绝缘、强度高、不易变形。

通过改变安装电极板的带槽绝缘板或剪切片的运动速度、两极板间距以及剪切片与极板间距，获得不同剪切速率时的剪切强度值。

本发明所述的电流变液剪切屈服强度的测量装置及方法，选用绝缘、强度高、不易变形的绝缘板，将电流变液安置在绝缘板的方形或矩形槽内，步进电极驱动，通过力传感器测量施加电极板或剪切片上的力，从而可以计算电流变液的剪切强度，克服了现有技术中电流变液与电极板表面之间会发生“打滑”的现象，测量得到的是高屈服强度电流变液一极性分子型电流变液的真实剪切强度。

附图说明

图1电极板相对运动测量电流变液剪切强度方法示意图；

图2测量装置的解剖示意图；

图3中间插入剪切片测量电流变液剪切屈服强度方法的示意图；

图4三种不同形状的剪切片示意图；

图5电场强度为5kV/mm时，所测得的Ca-Ti-O电流变液剪切强度与位移的关系曲线图；

图6用本方法测量得到的屈服强度和电场强度的关系曲线图(圆点所示曲线)，以及与用普通平行板流变仪测量的屈服强度(三角形所示曲线)的比较；

图7两个分别安装电极板的带槽绝缘板固定不动，中间插入剪切片测定Ca-Ti-O电流变液屈服强度与外场的关系；

图8电场强度为4kV/mm时，Ca-Ti-O电流变液剪切强度与位移速度的关系。

附图标记

1绝缘板；2电流变液；3电极板；4力传感器；5步进电机；6；剪切片。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，测量电流变液剪切强度装置，电极板3为不锈钢材料制成，绝缘板1为尼龙制成，电极板3安装在绝缘板的槽内，电极板之间的槽内电流变液样品2的l＝2mm，h＝7mm，电极板间距为3.3mm。

下绝缘板固定不动，上绝缘板由步进电机5驱动电动平移装置执行其运动，并可控制和测量位移速度或转速，从而计算切变位移量。上绝缘板的位移速度为0.01mm/s，用悬臂式力传感器4测量力F，可得到作用力F随位移的变化关系，计算可得剪切强度与位移的关系。用公式 $\mathrm{\τ}=\frac{F}{S}$ 计算剪切强度，其中S＝lh为剪切电流变液的面积，计算剪切强度τ，由剪切强度-位移曲线的剪切强度最大值，可获得剪切屈服强度值τ_y。由剪切强度随形变量变化(位移与电流变液样品宽度l之比)的斜率可计算出电流变液剪切模量。

当施加电场强度为5kV/mm时，所测得的Ca-Ti-O电流变液剪切强度与位移的关系，如图5所示，最大值为剪切屈服强度τ_y＝182kPa。图6表示所测量得到该样品的屈服强度和电场强度的关系，并与用普通平行板流变仪测量得到的屈服强度和电场强度的关系进行对比。可得出，用本发明的方法测量得到的屈服强度比用普通平行板流变仪测量得到的屈服强度高约两倍。

实施例2

如图3所示，测量电流变液剪切强度装置，电极板3由黄铜制成，绝缘板1为聚四氟乙烯制成，电极板3安装在绝缘板的槽内，电极板之间的槽内放置电流变液，剪切片6插入绝缘板槽内的电流变液中，剪切片6由氧化铝陶瓷制成，电极板之间的槽内电流变液样品(2)的l＝4mm，h＝10mm，两电极板的间距为3.3mm，剪切片6的l＝1mm，h＝10mm。两电极板固定不动，由步进电机5驱动绝缘剪切片6插入电流变液样品2中运动，剪切片6的位移速度为0.01mm/s，用悬臂式力传感器4测量力F，可得到作用力F随位移的变化关系。在不同的外加电场作用下，Ca-Ti-O电流变液剪切屈服强度与外场的关系曲线如图7所示。

实施例3

如图1所示的方法，测量电流变液剪切强度装置，电极板3由黄铜材料制成，绝缘板1为有机玻璃制成，电极板3安装在绝缘板的槽内，电流变液置于电极板之间的槽内，电流变液2样品的l＝2mm，h＝7mm，电极板间距为3.3mm。下绝缘板固定不动，上绝缘板由步进电机5驱动电动平移装置执行运动，上绝缘板的位移速度由步进电机5控制，用悬臂式力传感器4测量力F，可得到作用力F随位移的变化关系。当施加电场强度为4kV/mm时，测得的Ca-Ti-O电流变液剪切强度与位移速度的关系如图8所示。

Claims (8)

1、电流变液剪切强度的测量装置，其特征是，两平行电极板(3)分别安装在绝缘板(1)的槽内，两电极板间的槽内放置电流变液(2)。

2、根据权利要求1所述的电流变液剪切强度的测量装置，其特征在于，所述的绝缘板(1)选自尼龙、聚四氟乙烯、有机玻璃、环氧树脂、塑料、陶瓷、玻璃、蓝宝石。

3、根据权利要求1所述的电流变液剪切强度的测量装置，其特征在于，所述的样品槽形状为矩形、正方形。

4、根据权利要求1所述的电流变液剪切强度的测量装置，其特征在于，安装步进电机(5)驱动和力传感器(4)。

5、一种电流变液剪切强度的测量方法，其特征是，其中一个安装电极板(3)的绝缘板(1)固定，另一个安装电极板(3)的绝缘板(1)由步进电机(5)驱动，力传感器(4)测量施加电极板上的力F，用公式 $\mathrm{\τ}=\frac{F}{S}$ 计算剪切屈服强度，其中S＝lh为剪切电流变液的面积。

6、一种电流变液剪切强度的测量方法，其特征是，两安装电极板(3)的绝缘板(1)保持固定不动，将剪切片(6)插入电流变液(2)中，推动或拉动剪切片(6)，测量施加在剪切片(6)上的力F，用公式 $\mathrm{\τ}=\frac{F}{2S}$ 计算剪切强度，其中S＝lh为剪切电流变液的面积。

7、根据权利要求6所述的电流变液剪切强度的测量方法，其特征在于，所述的剪切片(6)选自尼龙、聚四氟乙烯、有机玻璃、环氧树脂、塑料、陶瓷、玻璃、蓝宝石。

8、根据权利要求5或6所述的电流变液剪切强度的测量方法，其特征在于，通过改变绝缘板或剪切片的运动速度、两电极板间距以及剪切片与电极板间距，获得不同剪切速率时的剪切强度值。

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