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巨电流变液的非平衡态结构研究

李丛  
【摘要】:传统的介电电流变液由介电颗粒和油液共同组成,其在电场作用下软硬连续可调的奇特性质具有广泛和重要的应用价值。传统的电流变液材料的屈服切应力的理论上限只有10kPa左右,1常常不能满足实际应用的需要。香港科技大学温维佳等人2于2003年首次发现尿素修饰的草酸氧钦钡巨电流变液材料,该电流变液颗粒的粒径为纳米尺度,具有很高的屈服应力且与外加电场成线性关系。这种材料的应用温度范围较广。巨电流变液材料的出现,将电流变液的屈服应力从原有的几千帕提高到几百千帕,同时与传统的电流变液相比巨电流变液还具有较好的抗沉降性和热、化学等稳定性,这些使得电流变液实际应用于工业成为可能。因此巨电流变液的材料、性能和机制研究也就成为当前电流变液领域的最主要内容。 到目前为止,巨电流变液材料有较好的电流变性能,但在机理解释上还没有一致结论。这种智能材料在工业上的应用主要是动态应用,如:减震器,离合器,车刹和阀门等。因此,巨电流变液的研究热点为如何提高其剪切应力,而不是提高屈服应力。在高剪切流的作用下,电流变液和巨电流变液的粘度均下降,即剪切变稀现象。这也严重地限制了巨电流变液的广泛应用。从物理的角度看,巨电流变液的这些宏观物理性质往往取决于其内部的微观结构。因此,电流变液的结构研究,尤其是高剪切流作用下的内部结构的研究有助于理解巨电流变液剪切应力衰减的原因,并有助于寻找解决办法。 然而,无论是传统电流变液还是巨电流变液均是不透明的,因此目前在颗粒结构实验上主要是研究液体表面颗粒结构的变化。电流变液颗粒和油液折射率的不匹配,在高剪切作用下其内部结构非常不稳定,这些因素严重限制了实验上用共聚焦显微镜观察三维层状结构的内部分布和颗粒速度。 本文采用二维实验和三维理论模拟两种方法研究在高剪切流作用下的结构和速度场分布,并从速度场的三维分布来研究耗散结构形成的机理。


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