剪切增稠液及阻尼器性能研究

周 鴻，郭朝陽，宗路航，宣守虎，龔興龍

(中國科學技術大學 近代力學系，中國科學院材料力學行為與設計重點實驗室，合肥 230027)

沖擊、振動為較普遍自然現象，廣泛存在于工業生產、軍事設備中。為避免其造成的干擾及破壞，沖擊與振動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提供［1－2］。常見的粘滯介質為牛頓流體，即其粘度為常數，構造尺寸確定阻尼力輸出特性，故無法滿足復雜的工況需求。為此，新型的主動或半主動材料如電流變液、磁流變液被用于研發、制造阻尼設備［3－6］。該材料自身的流變特性能在電場或磁場作用下發生改變，通過改變控制電場或磁場電流改變材料的粘度特性，以適應不同的外界加載情況［7－8］。目前已廣泛應用于減震器、離合器、制動器等設備。而其不足之處在于工作時需有外部激勵電源，且因附加電場或磁場裝置導致設備結構復雜。

STF為場響應材料，其流變特性隨外加應力場的變化而變化。與電流變液、磁流變液等不同，STF勿需外部激勵電源，其粘度隨剪切速率變化而變化。研究表明STF在高速沖擊下會發生固化，粘度急劇升高，而外載撤去后，STF又能迅速恢復液態［9－12］。STF粘度隨剪切速率急劇上升表現出的強烈非線性特點，已引起學界關注。對STF一系列研究揭示了納米顆粒大小、分散介質粘度、溫度、剪切應變幅值等因素對剪切增稠效應均具重要影響［9，13－18］。運用如流變光學、中子散射、計算模擬研究 STF的轉變過程及增稠機制［19－21］。其中“粒子簇”理論得到廣泛支持［22－23］。Galindo－Rosales等［24－25］據STF實驗結果提出表觀粘度的現象模型。隨著對STF的深入研究，其抗沖擊性能得以重視，逐漸用于制造防護裝置。Lee等［26－28］將STF加入復合增強纖維中以研究其防穿刺能力。Zhang等［29］設計以STF為粘滯介質的單出桿粘滯阻尼器并研究其動態特性。

以STF為基礎的耗能減震設備特點為無源、自適應、結構簡單。目前關于STF的研究多集中在性能表征及影響因素，減震抗沖擊應用研究相對較少。本文通過將STF與實際設備結合，并考慮在不同工況下的動態性能，為進一步工程應用奠定基礎。研究中，制備以聚苯乙烯－丙烯酸乙酯納米粒子為分散介質，乙二醇為分散相的剪切增稠液，并測量其流變特性。以此為基礎，設計加工雙出桿式阻尼器原型樣機，并測試其動態特性。通過有效剛度、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，定性地評價阻尼器的彈性特性、阻尼特性。

1 剪切增稠液材料及性能測試

用乳液聚合法，以上海國藥集團生產的苯乙烯(ST)及丙烯酸乙酯(EA)為原料，加入過硫酸鉀(KPS)引發劑，水浴加熱至70℃進行反應，對生成的反應物清洗、烘干，得到聚苯乙烯－丙烯酸乙酯(P(ST－EA))納米顆粒。所有操作均在氮氣環境下進行。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(質量分數為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，并用球磨機研磨，使納米顆粒均勻分散在乙二醇中，從而獲得實驗所需剪切增稠液。

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STF進行常溫(25℃)下流變性能測試。錐板直徑25 mm，錐頂角0.2°，錐板與樣品載物臺平面間隔0.05 mm。實驗時采用流變測試標準程序，并在測試開始前進行預剪切。測試重復三次，取平均值作為實驗結果。

圖2為STF樣品三次重復測試的流變性能曲線。在流變測試中，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，顯著的非線性及良好的重復性。剪切速率較小時STF粘度隨剪切速率增大而減小;超過臨界剪切速率時STF粘度急劇增大，而后又減小。剪切速率較高時有部分STF樣品從錐板邊緣被甩出，使測量所得STF粘度值并不準確，但Laun等［10］研究表明STF粘度達到最大值后粘度隨剪切速率的增大會再次減小，減小幅度遠小于圖2所示。STF樣品的初始粘度約15 Pa·s，臨界剪切應變速率為20 s－1，最大粘度接近180 Pa·s。

圖2 STF流變性能測試曲線Fig.2 Rheological properties of STF

圖3 儲能、耗能模量實驗曲線Fig.3 Storage modulus and loss modulus of STF

圖3(a)、圖3(b)分別為動態應變掃描測試及動態頻率掃描測試中儲能模量(G’)與耗能模量(G”)的變化曲線。由圖3(a)看出，當剪切應變速率處于臨界剪切速率(45 s－1)以下時，儲能、耗能模量大小相當，約100 Pa。當超過臨界剪切應變速率后，儲能、耗能模量迅速增大，儲能模量最大值達300 Pa，耗能模量最大值達1500 Pa;而在動態頻率掃描測試的圖3(b)中，儲能模量最大值為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能模量，由此表明STF樣品耗能能力在短時間內得到迅速提升。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備(如阻尼器、制動器等)，具有巨大的開發價值。

2 阻尼器設計

STF阻尼器樣機結構示意圖見圖4。采用雙出桿式設計，避免單出桿式附加腔室對剪切增稠性能影響，亦使拉壓加載時能輸出對稱的阻尼力。阻尼器內部充滿STF，當外界施加載荷時，活塞桿運動，迫使活塞一側的STF經活塞與氣缸內壁間隙流至另一側。由于粘度影響，在STF與機械表面間生成的粘滯阻力為阻尼器提供輸出力。通過對流動間隙大小的設計，可調節STF流過間隙時的剪切應變速率;也能通過制備擁有不同流變特性的STF，使阻尼器工作在STF的剪切增稠區間內，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構示意圖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，即活塞與氣缸內壁間隙為3 mm。

3 阻尼器性能測試

用材料測試系統(MTS 809)研究STF阻尼器的動態特性。阻尼器與實驗裝置安裝見圖5。阻尼器縱向固定在MTS上。MTS下部由液壓驅動控制輸出位移，并利用LVDT采集位移信號，上端部通過力傳感器測量阻尼力數值，并通過數據采集系統保存在電腦中便于后續處理。用正弦激勵作為位移信號輸入，對不同激勵振幅及激勵頻率下阻尼器的動態特性進行測試。每次測試重復十次，取穩定時的平均值得到輸出力－位移的滯回曲線。測試的激勵振幅分別為1 mm，2 mm;激勵頻率分別為 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測試系統Fig.5 Schematics of STF-filled damper and MTS

對流動間隙3 mm的阻尼器進行MTS測試研究其動態特性。不同振幅、頻率下的阻尼力、位移關系見圖6。由圖6看出，滯回曲線形狀對激勵頻率、振幅的變化非常敏感。當激勵頻率較小時(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。隨著激勵頻率增大至臨界頻率，活塞速度增大，剪切速率隨之增大，導致STF發生剪切增稠，粘度躍升。此時滯回曲線發生巨大改變(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)，當激勵振幅為1 mm、激勵頻率1 Hz時，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。隨著激勵頻率繼續增大，最大阻尼力略有增加;當激勵頻率為5 Hz時達6 400 N。此外，最大阻尼力及激勵振幅亦有密切聯系。由圖6(d)看出，當激勵振幅2 mm、激勵頻率0.5 Hz時，阻尼器輸出的最大阻尼力由100 N升高到7 000 N。表明隨著激勵頻率繼續增大，輸出的最大阻尼力仍有明顯增加，當激勵頻率為1 Hz時最大阻尼力可達11 000 N。

由不同激勵振幅實驗結果對比中看出，當激勵頻率較低時，輸出的阻尼力大小基本相等。隨著激勵頻率升高，活塞速度增大，激勵振幅較大的阻尼器率先達到臨界速率，輸出的阻尼力激增。說明STF阻尼器低頻時輸出力與激勵頻率、激勵振幅及活塞速度無關，高頻時表現為速度相關型阻尼器特征。

值得注意的是，當阻尼力處于零值附近時，滯回曲線產生顯著的平移現象，使滯回曲線飽滿程度下降，其原因為STF初始粘度大，流動性較差，活塞運動引起剪切增稠效應，使STF發生固化;而激勵頻率較高時STF未能及時恢復成液態，阻礙了STF在氣缸中的流動，導致活塞一側留有少量空隙，阻尼器輸出力曲線發生一定程度平移，造成其飽滿程度下降。另外，活塞拉壓運動時阻尼器輸出力不相等，可認為因阻尼器縱向安裝，使阻尼器兩端密封處STF分布不均，從而對活塞桿與密封圈的摩擦力形成影響，導致阻尼器的輸出力產生差異。

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系Fig.7 Maximum force versusmaximum velocity of piston

圖8 有效剛度、有效粘滯阻尼隨激勵頻率變化曲線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系曲線。由圖7看出，隨著活塞速度超過臨界值，阻尼器內部STF發生剪切增稠，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。激勵振幅增大，臨界剪切速度減小，阻尼器更快進入剪切增稠區間，輸出阻尼力的極值隨之增大。

4 試驗結果分析

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

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位移幅值;F+，F－為活塞位移分別為A+，A－時的輸出阻尼力;wd為每次加載循環耗散能量，即輸出力－位移滯回曲線圍成的面積;ω為激勵角頻率;A為激勵振幅。

圖8(a)、圖8(b)分別為激勵振幅1 mm、2 mm時有效剛度、有效粘滯阻尼隨激勵頻率變化曲線。由圖8(a)看出，激勵頻率較低時，阻尼器的有效剛度為70 N/mm，有效粘滯阻尼為85 N·s/mm;激勵頻率逐漸升高時，有效剛度并無明顯變化，而有效粘滯阻尼逐漸減小至25 N·s/mm，此因為STF處于低剪切速率時粘度隨剪切速率增大而減小;激勵頻率超過臨界頻率后，有效剛度、有效粘滯阻尼均有顯著增大，分別達到4 500 N/mm、310 N·s/mm;隨著激勵頻率繼續升高，有效剛度繼續增大，達到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、有效阻尼變化趨勢與之相同，但有效剛度較小，隨激勵頻率增大由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1 mm激勵振幅的兩倍。表明激勵振幅增大，阻尼器剛度減小，粘滯阻尼增大，耗能能力提高。

結合MTS實驗結果(圖6)進行分析，認為起始工作時，STF阻尼器表現出輕微的粘彈性效應，激勵頻率升高，STF進入剪切變稀工作區，粘度減小，使有效粘滯阻尼減小;激勵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，有效剛度持續上升的原因為STF發生剪切增稠而出現類固化，在剪切速率變化過程中無法及時完全恢復為液相，使流動間隙發生部分壅塞，造成活塞對一側液體形成壓縮。

5 結論

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

(2)研制以STF為工作介質的雙出桿間隙式粘滯阻尼器，并用MTS測試其在不同激勵頻率、激勵振幅下的動態響應。用以有效剛度、有效粘滯阻尼建立的線性模型定性評價STF阻尼的彈性效應、粘性效應，發現當活塞速度低于臨界速度時，STF阻尼器輸出力很小;當活塞速度超過臨界速度時，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。隨著活塞速度繼續增大，由于STF剪切增稠造成的類固化未能完全恢復，使阻尼器仍能提供很高的阻尼力。

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