剪切增稠液及阻尼器性能研究

周 鸿，郭朝阳，宗路航，宣守虎，龚兴龙

(中国科学技术大学 近代力学系，中国科学院材料力学行为与设计重点实验室，合肥 230027)

冲击、振动为较普遍自然现象，广泛存在于工业生产、军事设备中。为避免其造成的干扰及破坏，冲击与振动的能量吸收与耗散颇受重视。粘滞液体阻尼器便是诸多能量耗散设备中的一种。该阻尼器一般由弹性单元与粘性单元组成，二者分别由弹簧及粘滞介质提供［1－2］。常见的粘滞介质为牛顿流体，即其粘度为常数，构造尺寸确定阻尼力输出特性，故无法满足复杂的工况需求。为此，新型的主动或半主动材料如电流变液、磁流变液被用于研发、制造阻尼设备［3－6］。该材料自身的流变特性能在电场或磁场作用下发生改变，通过改变控制电场或磁场电流改变材料的粘度特性，以适应不同的外界加载情况［7－8］。目前已广泛应用于减震器、离合器、制动器等设备。而其不足之处在于工作时需有外部激励电源，且因附加电场或磁场装置导致设备结构复杂。

STF为场响应材料，其流变特性随外加应力场的变化而变化。与电流变液、磁流变液等不同，STF勿需外部激励电源，其粘度随剪切速率变化而变化。研究表明STF在高速冲击下会发生固化，粘度急剧升高，而外载撤去后，STF又能迅速恢复液态［9－12］。STF粘度随剪切速率急剧上升表现出的强烈非线性特点，已引起学界关注。对STF一系列研究揭示了纳米颗粒大小、分散介质粘度、温度、剪切应变幅值等因素对剪切增稠效应均具重要影响［9，13－18］。运用如流变光学、中子散射、计算模拟研究 STF的转变过程及增稠机制［19－21］。其中“粒子簇”理论得到广泛支持［22－23］。Galindo－Rosales等［24－25］据STF实验结果提出表观粘度的现象模型。随着对STF的深入研究，其抗冲击性能得以重视，逐渐用于制造防护装置。Lee等［26－28］将STF加入复合增强纤维中以研究其防穿刺能力。Zhang等［29］设计以STF为粘滞介质的单出杆粘滞阻尼器并研究其动态特性。

以STF为基础的耗能减震设备特点为无源、自适应、结构简单。目前关于STF的研究多集中在性能表征及影响因素，减震抗冲击应用研究相对较少。本文通过将STF与实际设备结合，并考虑在不同工况下的动态性能，为进一步工程应用奠定基础。研究中，制备以聚苯乙烯－丙烯酸乙酯纳米粒子为分散介质，乙二醇为分散相的剪切增稠液，并测量其流变特性。以此为基础，设计加工双出杆式阻尼器原型样机，并测试其动态特性。通过有效刚度、有效粘滞阻尼建立线性模型，比较不同加载工况下的阻尼器性能，定性地评价阻尼器的弹性特性、阻尼特性。

1 剪切增稠液材料及性能测试

用乳液聚合法，以上海国药集团生产的苯乙烯(ST)及丙烯酸乙酯(EA)为原料，加入过硫酸钾(KPS)引发剂，水浴加热至70℃进行反应，对生成的反应物清洗、烘干，得到聚苯乙烯－丙烯酸乙酯(P(ST－EA))纳米颗粒。所有操作均在氮气环境下进行。图1为扫描电镜拍摄的纳米颗粒。由图1看出，P(ST－EA)纳米颗粒呈规整球形，整体形貌良好，粒径均一，单分散性较好，平均直径约430 nm。采用由P(ST－EA)纳米颗粒(质量分数为68%STF样品)、乙二醇混合而成的STF。取出一定量纳米颗粒逐次加入乙二醇中，并用球磨机研磨，使纳米颗粒均匀分散在乙二醇中，从而获得实验所需剪切增稠液。

图1 聚苯乙烯－丙烯酸乙酯纳米颗粒的扫描电镜图Fig.1 SEM images of P(ST-EA)particles

用流变仪(MCR301，Anton Paar Company，Germany)的锥板部件对STF进行常温(25℃)下流变性能测试。锥板直径25 mm，锥顶角0.2°，锥板与样品载物台平面间隔0.05 mm。实验时采用流变测试标准程序，并在测试开始前进行预剪切。测试重复三次，取平均值作为实验结果。

图2为STF样品三次重复测试的流变性能曲线。在流变测试中，剪切速率从0变化到200 s－1。由图2看出，STF的粘度变化呈现，显著的非线性及良好的重复性。剪切速率较小时STF粘度随剪切速率增大而减小;超过临界剪切速率时STF粘度急剧增大，而后又减小。剪切速率较高时有部分STF样品从锥板边缘被甩出，使测量所得STF粘度值并不准确，但Laun等［10］研究表明STF粘度达到最大值后粘度随剪切速率的增大会再次减小，减小幅度远小于图2所示。STF样品的初始粘度约15 Pa·s，临界剪切应变速率为20 s－1，最大粘度接近180 Pa·s。

图2 STF流变性能测试曲线Fig.2 Rheological properties of STF

图3 储能、耗能模量实验曲线Fig.3 Storage modulus and loss modulus of STF

图3(a)、图3(b)分别为动态应变扫描测试及动态频率扫描测试中储能模量(G’)与耗能模量(G”)的变化曲线。由图3(a)看出，当剪切应变速率处于临界剪切速率(45 s－1)以下时，储能、耗能模量大小相当，约100 Pa。当超过临界剪切应变速率后，储能、耗能模量迅速增大，储能模量最大值达300 Pa，耗能模量最大值达1500 Pa;而在动态频率扫描测试的图3(b)中，储能模量最大值为12 kPa，耗能模量最大值为21 kPa。其中耗能模量增大的速率明显高于储能模量，由此表明STF样品耗能能力在短时间内得到迅速提升。使STF作为一种新型能量吸收、耗散材料可有效用于抗冲击及减震设备(如阻尼器、制动器等)，具有巨大的开发价值。

2 阻尼器设计

STF阻尼器样机结构示意图见图4。采用双出杆式设计，避免单出杆式附加腔室对剪切增稠性能影响，亦使拉压加载时能输出对称的阻尼力。阻尼器内部充满STF，当外界施加载荷时，活塞杆运动，迫使活塞一侧的STF经活塞与气缸内壁间隙流至另一侧。由于粘度影响，在STF与机械表面间生成的粘滞阻力为阻尼器提供输出力。通过对流动间隙大小的设计，可调节STF流过间隙时的剪切应变速率;也能通过制备拥有不同流变特性的STF，使阻尼器工作在STF的剪切增稠区间内，粘度增大，输出阻尼力提高，耗能能力上升。

图4 剪切增稠液阻尼器结构示意图Fig.4 Configuration of STF － filled damper

阻尼器位移幅值±10 mm，气缸直径50 mm，活塞杆直径15 mm，活塞直径44 mm，即活塞与气缸内壁间隙为3 mm。

3 阻尼器性能测试

用材料测试系统(MTS 809)研究STF阻尼器的动态特性。阻尼器与实验装置安装见图5。阻尼器纵向固定在MTS上。MTS下部由液压驱动控制输出位移，并利用LVDT采集位移信号，上端部通过力传感器测量阻尼力数值，并通过数据采集系统保存在电脑中便于后续处理。用正弦激励作为位移信号输入，对不同激励振幅及激励频率下阻尼器的动态特性进行测试。每次测试重复十次，取稳定时的平均值得到输出力－位移的滞回曲线。测试的激励振幅分别为1 mm，2 mm;激励频率分别为 0.1 Hz，0.2 Hz，0.5 Hz，1 Hz，2 Hz，5Hz。

图5 剪切增稠阻尼器及MTS测试系统Fig.5 Schematics of STF-filled damper and MTS

对流动间隙3 mm的阻尼器进行MTS测试研究其动态特性。不同振幅、频率下的阻尼力、位移关系见图6。由图6看出，滞回曲线形状对激励频率、振幅的变化非常敏感。当激励频率较小时(图6(a)、图6(c))，活塞速度较低，剪切速率亦较低，STF有轻微的剪切变稀行为。滞回曲线呈倾斜的橄榄状，有微弱的粘弹性行为。阻尼器输出的最大阻尼力大小基本不变，约100 N。随着激励频率增大至临界频率，活塞速度增大，剪切速率随之增大，导致STF发生剪切增稠，粘度跃升。此时滞回曲线发生巨大改变(图6(b)、图6(d))，输出阻尼力显著增大，但其饱满程度明显下降。图6(b)，当激励振幅为1 mm、激励频率1 Hz时，最大阻尼力由100 N升高到5 000 N，滞回曲线主轴斜率明显增大。随着激励频率继续增大，最大阻尼力略有增加;当激励频率为5 Hz时达6 400 N。此外，最大阻尼力及激励振幅亦有密切联系。由图6(d)看出，当激励振幅2 mm、激励频率0.5 Hz时，阻尼器输出的最大阻尼力由100 N升高到7 000 N。表明随着激励频率继续增大，输出的最大阻尼力仍有明显增加，当激励频率为1 Hz时最大阻尼力可达11 000 N。

由不同激励振幅实验结果对比中看出，当激励频率较低时，输出的阻尼力大小基本相等。随着激励频率升高，活塞速度增大，激励振幅较大的阻尼器率先达到临界速率，输出的阻尼力激增。说明STF阻尼器低频时输出力与激励频率、激励振幅及活塞速度无关，高频时表现为速度相关型阻尼器特征。

值得注意的是，当阻尼力处于零值附近时，滞回曲线产生显著的平移现象，使滞回曲线饱满程度下降，其原因为STF初始粘度大，流动性较差，活塞运动引起剪切增稠效应，使STF发生固化;而激励频率较高时STF未能及时恢复成液态，阻碍了STF在气缸中的流动，导致活塞一侧留有少量空隙，阻尼器输出力曲线发生一定程度平移，造成其饱满程度下降。另外，活塞拉压运动时阻尼器输出力不相等，可认为因阻尼器纵向安装，使阻尼器两端密封处STF分布不均，从而对活塞杆与密封圈的摩擦力形成影响，导致阻尼器的输出力产生差异。

图6 不同工况下的力－位移曲线Fig.6 Experimental force-displacement loops for STF-filled damper with varied frequency and amplitude

图7 最大输出力与最大活塞速度关系Fig.7 Maximum force versusmaximum velocity of piston

图8 有效刚度、有效粘滞阻尼随激励频率变化曲线Fig.8 Effective stiffness and viscous damping versus frequency

图7为阻尼器最大输出力与活塞速度最大值关系曲线。由图7看出，随着活塞速度超过临界值，阻尼器内部STF发生剪切增稠，使阻尼器输出的阻尼力急剧增大，由100 N上升到10 000 N以上。激励振幅增大，临界剪切速度减小，阻尼器更快进入剪切增稠区间，输出阻尼力的极值随之增大。

4 试验结果分析

STF阻尼器输出的力－位移滞回曲线表现出弹性刚度与粘滞阻尼的双重特性。用同时考虑刚度、阻尼影响的线性模型描述阻尼器性能，表达式为:

其中:keff为有效刚度;ceff为有效阻尼;x为活塞偏离平衡位置位移。有效刚度、有效阻尼可表示为:

其中:A+，A－分别为活塞偏离平衡位置的正负位移幅值;F+，F－为活塞位移分别为A+，A－时的输出阻尼力;wd为每次加载循环耗散能量，即输出力－位移滞回曲线围成的面积;ω为激励角频率;A为激励振幅。

图8(a)、图8(b)分别为激励振幅1 mm、2 mm时有效刚度、有效粘滞阻尼随激励频率变化曲线。由图8(a)看出，激励频率较低时，阻尼器的有效刚度为70 N/mm，有效粘滞阻尼为85 N·s/mm;激励频率逐渐升高时，有效刚度并无明显变化，而有效粘滞阻尼逐渐减小至25 N·s/mm，此因为STF处于低剪切速率时粘度随剪切速率增大而减小;激励频率超过临界频率后，有效刚度、有效粘滞阻尼均有显著增大，分别达到4 500 N/mm、310 N·s/mm;随着激励频率继续升高，有效刚度继续增大，达到5 800 N/mm，但增大速度减小，有效粘滞阻尼却迅速下降到初始水平，约为65 N·s/mm。图8(b)中有效刚度、有效阻尼变化趋势与之相同，但有效刚度较小，随激励频率增大由40 N/mm升高至4 800 N/mm，有效粘滞阻尼最大值为760 N·s/mm，达1 mm激励振幅的两倍。表明激励振幅增大，阻尼器刚度减小，粘滞阻尼增大，耗能能力提高。

结合MTS实验结果(图6)进行分析，认为起始工作时，STF阻尼器表现出轻微的粘弹性效应，激励频率升高，STF进入剪切变稀工作区，粘度减小，使有效粘滞阻尼减小;激励频率升高到临界频率以上，STF粘度激增，从而阻尼器输出的阻尼力急剧增大，有效刚度、有效粘滞阻尼亦迅速增大，有效刚度持续上升的原因为STF发生剪切增稠而出现类固化，在剪切速率变化过程中无法及时完全恢复为液相，使流动间隙发生部分壅塞，造成活塞对一侧液体形成压缩。

5 结论

(1)通过制备的以聚苯乙烯－丙烯酸乙酯纳米粒子为分散介质、乙二醇为分散相的剪切增稠液，测量其流变特性表明，在低剪切应变速率下，STF粘度随剪切应变速率增大而减小，有轻微的剪切变稀;达到临界剪切应变速率后，其粘度急遽增大，有强烈的剪切增稠。且其储能、耗能模量与粘度变化趋势相同。在一定剪切应变速率范围内，耗能模量可达21 kPa。

(2)研制以STF为工作介质的双出杆间隙式粘滞阻尼器，并用MTS测试其在不同激励频率、激励振幅下的动态响应。用以有效刚度、有效粘滞阻尼建立的线性模型定性评价STF阻尼的弹性效应、粘性效应，发现当活塞速度低于临界速度时，STF阻尼器输出力很小;当活塞速度超过临界速度时，输出力迅速增大，有效刚度、有效粘滞阻尼亦急剧增大，可大大提高阻尼器的耗能能力。随着活塞速度继续增大，由于STF剪切增稠造成的类固化未能完全恢复，使阻尼器仍能提供很高的阻尼力。

［1］欧进萍，丁建华.油缸间隙式粘滞阻尼器理论与性能试验［J］.地震工程与工程振动，1999，19(4):82－89.OU Jin-ping， DING Jian-hua. Theoryandperformance experiment of viscous damper of clearance hydrocylinder［J］.Earthquake Engineering and Engineering Vibration，1999，19(4):82－89.

［2］贾九红，沈小要，杜俭业，等.粘性流体阻尼器的设计与试验［J］.机械工程学报，2008，44(6):194－198.JIA Jiu-hong，SHEN Xiao-yao，DU Jian-ye，et al.Design and experimental research on fluid viscou dampers［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2008，44(6):194－198.

［3］Han Y M，Choi S B.Force-feedback control of a spherical haptic device featuring an electrorheological fluid［J］.Smart Materials＆ Structures，2006，15(5):1438－1446.

［4］Li W H，Du H.Design and experimental evaluation of a magnetorheologicalbrake［J］. InternationalJournalof Advanced Manufacturing Technology，2003，21(7):508－515.

［5］郭朝阳，宗路航，陈现敏，等.内通道式磁流变阻尼器及其减振控制研究［J］.振动与冲击，2011，30(3):47－52.GUO Chao-yang，ZONG Lu-hang，CHEN Xian-min，et al.Vibration controlwith an inner-pass magnetorheological damper［J］.Journal of Vibration and Shock，2011，30(3):47－52.

［6］关新春，黄永虎，胡少华，等.单出杆式磁流变阻尼器弹簧活塞蓄能器的设计与研究［J］.振动与冲击，2011，30(2):130－133.GUAN Xin-chun，HUANG Yong-hu，HU Shao-hua，et al.Design method for spring accumulator of a single-ended MR damper［J］.Journal of Vibration and Shock，2011，30(2):130－133.

［7］Wereley N M，Lindler J，Rosenfeld N，et al.Biviscous damping behavior in electrorheological shock absorbers［J］.Smart Materials＆ Structures，2004，13(4):743－752.

［8］Zhang X Z，Li W H，Gong X L.Study on magnetorheological shear thickening fluid［J］.Smart Materials ＆ Structures，2008，17(1):015051.1 －015051.6.

［9］Barnes H A.Shear-thickening(dilatancy)in suspensions of nonaggregating solid particles dispersed in newtonian liquids［J］.Journal of Rheology，1989，33(2):329 －366.

［10］Laun H M，Bung R，Schmidt F.Rheology of extremely shear thickening polymer dispersions(passively viscosity switch fluids)［J］.Journal of Rheology，1991，35(6):999 －1034.

［11］Hoffman R L.Explanations for the cause of shear thickening in concentrated colloidalsuspensions［J］. Journalof Rheology，1998，42(1):111 －123.

［12］Xu Y L，Gong X L，Sun Y Q，et al.Evolution of the initial hole in vertically vibrated shear thickening fluids［J］.Physical Review E，2011，83(5):056311 －056318.

［13］Maranzano B J，Wagner N J.The effects of particle size on reversible shear thickening of concentrated colloidal dispersions［J］.The Journal of Chemical Physics，2001，114(23):10514－10527.

［14］Brown E，Forman N A，Orellana C S，et al.Generality of shear thickening in dense suspensions［J］.Nature Materials，2010，9(3):220－224.

［15］Xu Y L，Gong X L，Peng C，et al.Shear thickening fluids based on additives with different concentrations and molecular chain lengths［J］.Chinese Journal of Chemical Physics，2010，23(3):342－346.

［16］Jiang W Q，Sun Y Q，Xu Y L，et al.Shear-thickening behavior of polymethylmethacrylate particles suspensions in glycerine-water mixtures［J］.Rheologica Acta，2010，49(11－12):1157－1163.

［17］徐钰蕾，龚兴龙，江万权，等.剪切增稠液体的制备及其性能表征［J］.功能材料，2007，38(S):3904－3906.XU Yu-lei，GONG Xing-long，JIANG Wan-quan，et al.Preparation and characterization of shear thickening fluid［J］.Journal of Function Materials，2007，38(S):3904－3906.

［18］Wu Q M，Ruan J M，Huang B Y，et al.Rheological behavior of fumed silica suspension in polyethylene glycol［J］.Journal of Central South University of Technology，2006，13(1):1 －5.

［19］Boersma W H，Laven J，Stein H N.Computer-simulations of shear thickening of concentrated dispersions［J］.Journal of Rheology，1995，39(5):841 －860.

［20］Maranzano B J，Wagner N J.Flow-small angle neutron scattering measurements of colloidal dispersion microstructure evolution through the shear thickening transition［J］.Journal of Chemical Physics，2002，117(22):10291－10302.

［21］Lee Y S，Wagner N J.Rheological properties and small-angle neutron scattering ofa shearthickening，nanoparticle dispersion at high shear rates［J］.Industrial＆ Engineering Chemistry Research，2006，45(21):7015 －7024.

［22］Bossis G，Brady J F.The rheology of brownian suspensions［J］.Journal of Chemical Physics，1989，91(3):1866－1874.

［23］Foss D R，Brady J F.Structure，diffusion and rheology of brownian suspensions by stokesian dynamics simulation ［J］.Journal of Fluid Mechanics，2000，407:167 －200.

［24］Galindo-Rosales F J，Rubio-Hernandez F J，Sevilla A.An apparent viscosity function for shear thickening fluids［J］.Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics，2011，166(5 －6):321－325.

［25］Lim A S， Lopatnikov S L， WagnerN J， etal.Phenomenological modeling ofthe responseofa dense colloidal suspension under dynamic squeezing flow［J］.Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics，2011，166(12 －13):680－688.

［26］Lee Y S，Wetzel E D，Wagner N J.The ballistic impact characteristics of Kevlar(R)woven fabrics impregnated with a colloidal shear thickening fluid［J］.Journal of Materials Science，2003，38(13):2825 －2833.

［27］Mahfuz H，Clements F，Rangari V，et al.Enhanced stab resistance of armor composites with functionalized silica nanoparticles［J］. JournalofApplied Physics，2009，105(6):064307－1－064307－7.

［28］刘 君，熊党生，熊华超.剪切增稠流体浸渍Kevlar复合材料的防刺性能［J］.南京理工大学学报(自然科学版)，2010，34(2):271－274.LIU Jun， XIONG Dang-sheng， XIONG Hua-chao. Stab resistance ofkevla composites impregnated with shear thickening fluid［J］.Journal of Nanjing University of Science and Techonlogy(Nature Science)，2010，34(2):271－274.

［29］Zhang X Z，Li W H，Gong X L.The rheology of shear thickening fluid(STF)and the dynamic performance of an STF-filled damper［J］.Smart Materials ＆ Structures，2008，17(3):035027.1 －035027.7.