周 浩，譚柱華

(1.武漢理工大學(xué) 理學(xué)院，武漢430070；2.河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300401)

在振動(dòng)控制領(lǐng)域，變阻尼和變剛度是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)振動(dòng)半主動(dòng)控制的兩種主要途徑，力學(xué)性能可變、可調(diào)的智能材料在振動(dòng)降噪領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。目前已用于振動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)的智能流體材料有磁流變液、電流變液、剪切增稠液等，它們均可以通過黏度的變化來實(shí)現(xiàn)阻尼的調(diào)控，以適應(yīng)不同的外界加載情況[4-5]。電/磁流變液裝置工作時(shí)在外部激勵(lì)下，通過改變電場或磁場來改變材料的黏度特性[6-7]。與電/磁流變液相比，剪切增稠液的流變力學(xué)特性隨所受到外載荷的剪切速率的變化而變化，不需要外部激勵(lì)。

剪切增稠液是一種納米顆粒懸浮液，通常情況下處于流體狀態(tài)，在一定的外載作用下其黏度會(huì)迅速增大甚至達(dá)到類固態(tài)，當(dāng)撤去外力時(shí)，其又能恢復(fù)到流體狀態(tài)[8-9]。在剪切增稠過程中，其黏度能迅速發(fā)生幾個(gè)量級的改變，從而耗散大量的能量。剪切增稠液顯著的能量耗散特性以及無源、自適性等特點(diǎn)，使得其在阻尼器、減振和振動(dòng)控制裝置等方面有著廣闊的應(yīng)用前景[10-11]。

通常剪切增稠液振動(dòng)控制裝置的工作模式有閥模式、剪切模式、擠壓模式三種[12-14]。與閥模式和剪切模式相比，在擠壓模式下智能流體材料能夠產(chǎn)生更大的阻尼力，且具有小位移大阻尼的特點(diǎn)[15-16]。研究剪切增稠液的擠壓流動(dòng)力學(xué)性能有助于開發(fā)擠壓模式下基于剪切增稠液的高性能裝置。Gong等人[17]制備了不同體積分?jǐn)?shù)的基于SiO2顆粒的剪切增稠液，并研究了體積分?jǐn)?shù)、擠壓速度等對其擠壓流動(dòng)行為的影響，發(fā)現(xiàn)隨著體積分?jǐn)?shù)的增大或擠壓速度的增大，法向應(yīng)力顯著增大。

當(dāng)前的研究均是以純剪切增稠液為研究對象，開發(fā)具有更高性能的剪切增稠液可為提升振動(dòng)控制裝置性能提供材料基礎(chǔ)。最近，研究人員通過在純剪切增稠液中添加不同類型的微/納米顆粒添加劑的方法來制備具有更高剪切增稠效應(yīng)的新型剪切增稠液[18-20]。Laha等人[18]的研究結(jié)果表明，與純剪切增稠液相比，Kevlar織物在用含埃洛石納米管添加劑的SiO2基剪切增稠液浸漬后，抗沖擊性能有了明顯的改善。Tan等人[19-20]研究了高應(yīng)變率下SiC納米線增強(qiáng)后的剪切增稠液和石墨烯增強(qiáng)后的剪切增稠液的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)，結(jié)果表明增強(qiáng)后的剪切增稠液可以承受比純剪切增稠液更大的動(dòng)態(tài)載荷。

隨著高性能振動(dòng)控制裝置的開發(fā)，對剪切增稠液的力學(xué)性能提出了更高的要求，因此有必要開發(fā)和制備高性能的新型剪切增稠液。本文采用石墨烯增強(qiáng)純二氧化硅納米顆粒剪切增稠液，并利用旋轉(zhuǎn)流變儀對不同的剪切增稠液開展了擠壓流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，研究了石墨烯對剪切增稠液的流變性能和擠壓流動(dòng)力學(xué)性能的影響，分析了石墨烯體積分?jǐn)?shù)對法向應(yīng)力、臨界間隙和承載能力的影響，為剪切增稠液在振動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)測試分析

1.1 材料制備

本文中以納米二氧化硅顆粒作為分散相，聚乙二醇400(PEG400)作為分散介質(zhì)來制備剪切增稠液。納米級二氧化硅球形顆粒由Stober方法制備，直徑約為300 nm，如圖1(a)所示。利用球磨的方法將納米二氧化硅顆粒分散入PEG400中，制備得到體積分?jǐn)?shù)為56%剪切增稠液樣品。多層石墨烯(厚度為10～15層，長度或?qū)挾燃s為800 nm，由南京先豐納米材料有限公司生產(chǎn)，如圖1(b)所示)以超聲分散的方式分散到純剪切增稠液中，以改變其流變性能。為了分析石墨烯體積分?jǐn)?shù)對剪切增稠液擠壓流動(dòng)力學(xué)性能的影響，制備了不同體積分?jǐn)?shù)石墨烯增強(qiáng)的剪切增稠液，剪切增稠液中固相的體積分?jǐn)?shù)為56%，如表1所示。

圖1 分散相顆粒掃描電子顯微鏡圖

表1 不同剪切增稠液中分散相含量(體積分?jǐn)?shù)/%)

1.2 測試方法

實(shí)驗(yàn)中采用旋轉(zhuǎn)流變儀(Anton-Paar MCR 302)與CP25-2錐形板測試附件、PP50平行板測試附件(見圖2)測試剪切增稠液的流變性能和擠壓流動(dòng)力學(xué)性能。

圖2 旋轉(zhuǎn)流變儀和平行板測試附件

作為典型的非牛頓流體，通常采用平行圓板勻速擠壓等體積樣品的方式來研究剪切增稠液的擠壓流動(dòng)力學(xué)性能，如圖3所示。這種擠壓形式常出現(xiàn)在阻尼器和隔振器的服役過程中。在測試中，樣品的直徑始終小于平行圓板的直徑，平行圓板之間的剪切增稠液樣品體積保持不變。

圖3 等體積擠壓流動(dòng)示意圖

通過穩(wěn)態(tài)剪切實(shí)驗(yàn)來測試剪切增稠液的流變性能，剪切速率范圍為0.01～100 s-1。采用等體積擠壓的方式對不同的剪切增稠液進(jìn)行擠壓流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，樣品體積為0.4 mL，平行板初始間隙設(shè)定為1.2 mm。如圖3所示，在測試中，下平板固定，上平板以恒定的速度向下擠壓剪切增稠液，當(dāng)法向力達(dá)到50 N(流變儀可承受的最大法向力)時(shí)，上平板開始以相同的速度向上拉伸剪切增稠液，直至回到初始位置，測試過程分為擠壓和拉伸兩個(gè)階段，流變儀記錄擠壓-拉伸過程中法向力隨著板間距的變化。

測試之前對剪切增稠液樣品進(jìn)行預(yù)剪切處理，以使其內(nèi)部顆粒達(dá)到均勻穩(wěn)定的狀態(tài)，從而消除加載過程對剪切增稠液流變性能的影響，保證測試結(jié)果的可靠性。本文通過恒定剪切速率的穩(wěn)態(tài)剪切來實(shí)現(xiàn)剪切增稠液樣品的預(yù)剪切處理，剪切速率1 s-1，預(yù)剪切時(shí)間60 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 石墨烯對剪切增稠液流變性能的影響

對3種不同的剪切增稠液(表1中)進(jìn)行了流變性能測試，其黏度曲線如圖4所示。從圖4中可以看出不同剪切增稠液的黏度曲線具有相似的變化趨勢，均包含剪切變稀和剪切增稠兩個(gè)階段。但石墨烯增強(qiáng)剪切增稠液的黏度大于純剪切增稠液，且隨著石墨烯體積分?jǐn)?shù)的增加，剪切增稠液的黏度變大。在初始階段，體積分?jǐn)?shù)為0.85%和 2.55%的石墨烯增強(qiáng)剪切增稠液的初始黏度分別為92.771 Pa·s和150.98 Pa·s，分別是純剪切增稠液的初始黏度61.181 Pa·s的1.52倍、2.47倍。在剪切增稠階段，石墨烯增強(qiáng)剪切增稠液的黏度峰值分別為492.12 Pa·s、599.42 Pa·s，比純剪切增稠液的黏度峰值344.24 Pa·s最多增加了74%。

圖4 不同剪切增稠液的黏度曲線

在初始階段，由于納米顆粒的存在使得剪切增稠液具有一定的黏度。隨著剪切速率的增加，納米顆粒之間的流體潤滑力增大，這使得納米顆粒逐漸排列成最有利于其相互運(yùn)動(dòng)的層狀結(jié)構(gòu)，剪切增稠液的黏度降低。隨著剪切速率繼續(xù)增加，逐漸增大的流體潤滑力使剪切增稠液中形成粒子簇，進(jìn)而導(dǎo)致剪切增稠現(xiàn)象的發(fā)生[21]。而在增強(qiáng)剪切增稠液中，石墨烯可等效為板狀，因此在石墨烯增強(qiáng)剪切增稠液中，流體動(dòng)力潤滑力存在于SiO2納米顆粒之間、SiO2納米顆粒與石墨烯之間以及石墨烯之間，三種潤滑力的共同作用顯著提高了剪切增稠液的黏度。

2.2 擠壓速度對法向應(yīng)力的影響

在擠壓模式下，法向力作為剪切增稠液彈性性能的重要體現(xiàn)，對于評價(jià)剪切增稠液的擠壓流動(dòng)力學(xué)性能和理解剪切增稠液的微觀結(jié)構(gòu)變化有著重要的作用；此外對剪切增稠液法向力的研究有著重要的工程應(yīng)用價(jià)值，利用法向力設(shè)計(jì)的新型剪切增稠液裝置具有更小的尺寸。因此在擠壓流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，法向力被重點(diǎn)關(guān)注且被用于表征剪切增稠液的擠壓流動(dòng)力學(xué)性能[17,22]。

在等體積擠壓過程中，剪切增稠液試樣的橫截面積逐漸增大，因此法向應(yīng)力比法向力更適合用來描述擠壓模式下剪切增稠液的流動(dòng)行為。因此本文通過法向應(yīng)力與平行板間隙的關(guān)系來表征剪切增稠液的擠壓流動(dòng)力學(xué)性能。法向應(yīng)力的計(jì)算公式為

(1)

式中:σ為法向應(yīng)力，kPa；FN為法向力，N；V為試樣品的體積，mL；h為平行板的間距，mm。

根據(jù)擠壓流動(dòng)理論可知，擠壓過程中法向的壓縮和徑向的流動(dòng)使得剪切增稠液中產(chǎn)生法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力，而剪切增稠液中的剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力源自于納米顆粒之間的流體動(dòng)力潤滑力[23]。球狀SiO2納米顆之間的流體潤滑力可以表示為[24]

(2)

式中:Fsphere-sphere為兩個(gè)球狀顆粒之間的流體潤滑力，N；r為球狀顆粒的半徑，m；h為球狀顆粒之間的距離，m；U為球狀顆粒之間的相對速度，m/s，η為顆粒間隙中流體的黏度，Pa·s。

圖5為剪切增稠液的典型擠壓流動(dòng)曲線，測試樣品為純剪切增稠液，擠壓速度為90 μm/s。從圖5中可以看出在擠壓模式下，剪切增稠液要經(jīng)歷自由擴(kuò)散、黏性流動(dòng)和固化3個(gè)階段。定義擠壓速率為擠壓速度與板間隙的比值。在自由擴(kuò)散階段，擠壓速率較慢，剪切增稠液處于自由流動(dòng)狀態(tài)，法向應(yīng)力幾乎不變。在黏性流動(dòng)階段，隨著平板間隙的減小，擠壓速率逐漸增大，剪切增稠液中納米顆粒的分布開始發(fā)生變化，顆粒之間的距離逐漸變小。由式(2)可知，擠壓速率的增大和顆粒間距的減小共同導(dǎo)致納米顆粒之間的流體動(dòng)力潤滑力增大，進(jìn)而使得法向應(yīng)力開始上升，如圖6(a)所示。在固化階段，快速的壓縮作用使得顆粒間距迅速變小，顆粒逐漸接觸并產(chǎn)生接觸力，隨著平板間隙的繼續(xù)減小，相互接觸的顆粒形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，剪切增稠液的擴(kuò)散受到阻礙，當(dāng)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與上下板邊界接觸時(shí)，剪切增稠液中發(fā)生阻塞現(xiàn)象，法向應(yīng)力迅速增加，如圖6(b)所示。

圖5 剪切增稠液的典型擠壓流動(dòng)曲線

圖6 擠壓模式下不同的剪切增稠液內(nèi)部的顆粒結(jié)構(gòu)變化示意圖

圖7為不同擠壓速度下3種剪切增稠液的擠壓流動(dòng)曲線，可以看出，在不同的擠壓速度下，其擠壓流動(dòng)曲線具有相似的變化趨勢：隨著擠壓速度的增大，臨界間隙、法向應(yīng)力和極限間隙均呈上升的趨勢。隨著擠壓速度的增大，相同間隙處的擠壓速率增大，擠壓速率的快速變化導(dǎo)致納米顆粒的分布迅速發(fā)生變化，擠壓過程提前進(jìn)入黏性流動(dòng)階段，臨界間隙增大；此外擠壓速率的增大導(dǎo)致顆粒間相互作用增強(qiáng)，流體動(dòng)力潤滑力和接觸力增大，進(jìn)而使得法向應(yīng)力增大，與此同時(shí)，擠壓力達(dá)到極限值50 N時(shí)只需更短的擠壓行程，極限間隙增大。

圖7 不同擠壓速度下法向應(yīng)力隨板間距的變化

圖8為不同擠壓速度下3種剪切增稠液的擠壓-拉伸流動(dòng)曲線，可以看出，在不同速度下，3種剪切增稠液的擠壓-拉伸流動(dòng)曲線均是近似對稱的。在拉伸過程中，隨著板間距的增大，剪切增稠液中的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)逐漸消失，顆粒之間的相互作用逐漸降低直至恢復(fù)到初始狀態(tài)，此時(shí)拉伸可以看做是擠壓的卸載過程，剪切增稠液經(jīng)歷固化、黏性流動(dòng)恢復(fù)到自由流動(dòng)狀態(tài)。此外，在擠壓-拉伸過程中，3種剪切增稠液的擠壓應(yīng)力峰值均略高于拉伸應(yīng)力峰值。這主要?dú)w因于在平行板與剪切增稠液界面上存在一個(gè)極限拉伸應(yīng)力，當(dāng)界面應(yīng)力達(dá)到極限拉伸應(yīng)力時(shí)，平行板局部會(huì)出現(xiàn)“拉伸滑脫”現(xiàn)象。

圖8 不同速度下三種剪切增稠液的擠壓-拉伸流動(dòng)曲線

2.3 石墨烯體積分?jǐn)?shù)對法向應(yīng)力的影響

圖9顯示了擠壓模式下含有不同體積分?jǐn)?shù)石墨烯的3種剪切增稠液的法向應(yīng)力、臨界間隙和極限間隙，擠壓速度為90 μm/s。從圖9中可以發(fā)現(xiàn)，石墨烯對剪切增稠液的擠壓流動(dòng)力學(xué)性能有顯著的影響，與純剪切增稠液相比，石墨烯增強(qiáng)剪切增稠液的法向應(yīng)力、臨界間隙和極限間隙明顯增大，且隨著石墨烯體積分?jǐn)?shù)的增大而增大。

圖9 不同剪切增稠液的法向力峰值、臨界間隙和極限間隙

圖10顯示了擠壓速度和石墨烯體積分?jǐn)?shù)對剪切增稠液法向應(yīng)力峰值的綜合效應(yīng)，在較高擠壓速度和較大石墨烯體積分?jǐn)?shù)的擠壓工況下，剪切增稠液的法向應(yīng)力峰值明顯增大。當(dāng)擠壓速度為150 μm/s、石墨烯體積分?jǐn)?shù)為2.55%時(shí)，法向應(yīng)力峰值可達(dá)79.6 kPa，是Gong等[18]報(bào)道的純剪切增稠液的法向應(yīng)力峰值38.48 kPa的2.07倍。這表明，與純剪切增稠液相比，石墨烯增強(qiáng)剪切增稠液在擠壓模式下的承載能力得到顯著提高。

圖10 擠壓速度和石墨烯體積分?jǐn)?shù)對剪切增稠液法向應(yīng)力峰值的綜合效應(yīng)

圖11顯示了不同擠壓速度下3種剪切增稠液的臨界間隙。從圖11中可以發(fā)現(xiàn)，臨界間隙d隨著擠壓速度v的增大而線性增大，因此二者的關(guān)系可表示為

圖11 不同擠壓速度下3種剪切增稠液的臨界間隙

d=αv+d0

(3)

式中:d0為擠壓速度極小時(shí)的臨界間隙，mm；α為擠壓速度對臨界間隙的影響系數(shù)。

利用式(3)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，由擬合結(jié)果可知，石墨烯增強(qiáng)剪切增稠液的影響系數(shù)比純剪切增稠液的大，純剪切增稠液的影響系數(shù)α1為0.002 23，石墨烯體積分?jǐn)?shù)為0.85% 和2.55%的影響系數(shù)α2、α3分別為0.003 03、0.002 79。這表明，相比于純剪切增稠液，石墨烯增強(qiáng)剪切增稠液的擠壓流動(dòng)行為對擠壓速度的變化更加敏感。

2.4 石墨烯體積分?jǐn)?shù)對擠壓流動(dòng)力學(xué)性能影響的機(jī)理分析

(4)

FN=σV/h

(5)

圖12 不同擠壓速度下3種剪切增稠液的平均能量吸收值

(6)

利用式(6)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，由擬合結(jié)果可知，石墨烯增強(qiáng)剪切增稠液的影響系數(shù)比純剪切增稠液的大，純剪切增稠液的影響系數(shù)β1為0.058 51，體積分?jǐn)?shù)為0.85% 和 2.55%的石墨烯增強(qiáng)剪切增稠液的影響系數(shù)β2、β3分別為0.111 93、0.100 8。這表明與純剪切增稠液相比，石墨烯增強(qiáng)剪切增稠液有更強(qiáng)的速度敏感性。

在石墨烯增強(qiáng)剪切增稠液中，板狀石墨烯均勻分散在球狀SiO2納米顆粒之間，石墨烯能夠有效地阻礙納米顆粒的滑動(dòng)，使得納米顆粒在徑向擴(kuò)散緩慢，因此擠壓過程進(jìn)入黏性流動(dòng)階段只需更短的擠壓行程，臨界間隙增大。此外，如圖6(c)所示，石墨烯增強(qiáng)剪切增稠液的流體潤滑力分別存在于納米顆粒之間、納米顆粒與石墨烯之間以及石墨烯之間。而納米顆粒之間的流體潤滑力如式(2)所示，納米顆粒與石墨烯之間、石墨烯與石墨烯之間的流體潤滑力分別可以表示為[24-25]：

(7)

(8)

式中:Fsphere-plate、Fplate-plate分別為球狀顆粒與平板之間、兩個(gè)平板之間的流體潤滑力，N；r為球體顆?；蚱桨宓陌霃?，m；h為球體顆?；蚱桨逯g的距離，m；U為顆?；蚱桨逯g的相對速度，m/s；η為間隙中流體的黏度，Pa·s。

在擠壓流實(shí)驗(yàn)中，h≥r，對比式(2)、式(7)和式(8)，3種流體動(dòng)力潤滑力的大小順序?yàn)椋篎plate-plate>Fsphere-plate>Fsphere-sphere，因此石墨烯可以增大剪切增稠液的流體動(dòng)力潤滑力，進(jìn)而使得法向應(yīng)力增大。在固化階段，如圖6(d)所示，由于石墨烯對納米顆?；瑒?dòng)的限制，石墨烯增大了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的緊密性和穩(wěn)定性，其能夠有效地防止網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的斷裂與滑移，從而使得石墨烯增強(qiáng)剪切增稠液中納米顆粒之間的接觸力增大，法向應(yīng)力增大。這意味著石墨烯能夠顯著影響剪切增稠液的擠壓流動(dòng)性能，因此當(dāng)擠壓速度發(fā)生變化時(shí)，石墨烯增強(qiáng)剪切增稠液的力學(xué)響應(yīng)比純剪切增稠液更加明顯，即石墨烯增強(qiáng)剪切增稠液對擠壓速度的變化更加敏感。

3 結(jié) 論

1)石墨烯顯著影響了剪切增稠液的流變性能，石墨烯增強(qiáng)剪切增稠液的黏度峰值為599.42 Pa·s，與純剪切增稠液相比提高了74%。

2)石墨烯增強(qiáng)剪切增稠液在擠壓模式下的承載能力得到顯著提高，其法向應(yīng)力峰為純剪切增稠液的2.07倍。這主要?dú)w因于石墨烯能有效地阻礙納米顆粒的滑動(dòng)以及石墨烯與石墨烯之間、石墨烯與顆粒之間所存在的流體潤滑力。

3)在擠壓速度增大或石墨烯體積分?jǐn)?shù)增大的擠壓工況下，剪切增稠液的法向應(yīng)力和臨界間隙均明顯增大。相較于擠壓速度30 μm/s下的純剪切增稠液，擠壓速度90 μm/s下石墨烯增強(qiáng)剪切增稠液的法向應(yīng)力峰值增大了158%，臨界間隙增大了122%。