专利名称：一种电流变体材料阻尼性能测试装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种智能材料性能的测试技术，特别是涉及一种电流变体 材料阻尼性能的测试装置和方法。
背景技术：
电流变体是一种新型的智能材料。它的表观物理形态随外加电场强度 的变化而发生改变，在零电场强度时表现为液态，高电场下表现出类似固 体的性质，随着变化，材料的力学性能、阻尼性能、光学性能等也会发生 变化。由于电流变体这种奇特的性能，使得它在机械、汽车、自动控制等 领域具有广阔的应用前景，其中，该材料主要的或可在短期内实现的应用 就是作为可控阻尼器的阻尼介质。
电流变体材料作为可控阻尼器的阻尼介质，其模量、损耗因子等性能 指标是衡量材料性能的主要指标，关于电流变体阻尼性能的研究，目前人 们主要利用"悬臂梁"法间接测试。这种方法主要是将电流变体封装在含 上下极板的长方形梁内，然后采用自由振动法测试梁的动态响应，从而获
得梁的自由衰减曲线，用于表征电流变体的阻尼特性。文献"Response of electrorheological fluid-filled laminate composites to forced vibration" (Y . Choi, A . F . Sprecher and H . Conrad.: J . of Intelligent Material Systems and Structures, 1992，3(l):17-29)中，Chio等研究了 ER流体悬臂梁的振动响应， 并根据ASTME756-83标准的方法计算出了电流变体的粘弹性特性。"含电 流变体智能复合材料梁的振动响应分析"(刘彦菊、冷劲松、王殿富，纤 维复合材料，1999.6(2):33-36)中，刘彦菊等从理论模型和试验角度研究了
5复合材料梁的振动特性，也得到了电流变体的剪切存储和损耗模量。
但以上这些方法主要是对电流变体阻尼特性的间接表征，而且一般情 况下，电流变体材料本身刚度的改变量相对悬臂梁的刚度过小，所以试验 误差较大。因此，迫切需要一种新的电流变体材料阻尼性能测试装置和方 法，减小试验误差，达到精确测量的技术目的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有悬臂梁法测试电流变体阻尼 损耗性能技术存在的试验误差较大，不能直接表征电流变体材料固有特性 的问题，提供一种直接测试电流变体材料阻尼性能的装置和方法，从而减 小试验误差，精确测量电流变体材料阻尼性能。
为了达到解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下的技术方案
本发明的一种电流变体材料阻尼性能测试装置，装置包括粘弹仪主 机、经绝缘处理的环形抽运测试装置、直流高压电源、隔离变压器、直流 微安表，其中环形抽运测试装置包括试样筒、环形抽运装置底座、塞柱。
本发明的一种电流变体材料阻尼性能测试装置，优选的技术方案是 所述的粘弹仪主机，包括机头、计算机处理系统，其中机头与环形抽运测 试装置的塞柱相连，机头包含了激振器、加速度传感器和位移传感器，激 振器能够产生不同频率的振动，从而对填充在试样筒中的电流变体产生剪 切作用，并通过传感器测试塞柱的位移和加速度，通过计算机处理系统分 析处理，最后得出电流变体材料性能数据。
本发明的一种电流变体材料阻尼性能测试装置，进一步优选的的技术 方案是所述经绝缘处理的环形抽运测试装置，具体的绝缘处理方式是玻 璃钢绝缘垫片用胶粘剂粘贴在环形抽运装置底座上，试样筒粘接在绝缘垫 片上，从而使试样筒和底座之间绝缘，当高压电源工作时，高压电只加了试样筒上，在试样筒和塞柱之间形成高压电场，从而使试样筒和塞柱以 外粘弹仪的其他部分不带电，从而保证仪器和操作人员的安全。
本发明电流变体材料阻尼性能测试装置的220V交流电经过隔离变压
器与直流高压电源连接，交流电经过隔离变压器以后，产生了一种磁场电 压，使输入电压与大地之间没有实际的电位差，所以这种交流电通过直流 高压电源，输出的直流高压电与大地之间也不存在实际的电位差，从而保
证了仪器和操作人员的安全。直流高压电源可产生0 10kV直流高压电，在 试样筒和塞柱之间产生高压电场，直流微安表串联在直流高压电源和环形 抽运装置之间，测试电流变体的漏电流。
通过建立电流变体材料阻尼性能测试系统和测试方法，直接测试电流 变体的阻尼性能，是一种新的对电流变体材料固有特性的表征方法，弥补 电流变体阻尼性能测试一般采用间接测试技术，测试结果与实际的材料性 能存在较大误差的缺点和不足。
本发明的一种电流变体材料阻尼性能测试方法，特征是利用包括粘弹 仪主机、经绝缘处理的环形抽运测试装置、高压电源、隔离变压器、直流 微安表组成的测试装置，按照一定的测试步骤，通过机头的激振器、加速 度传感器和位移传感器，产生不同频率的振动，对填充在试样筒中的电流 变体产生剪切作用，并通过传感器测试塞柱的位移和加速度，通过计算机 处理系统分析处理，最后得出电流变体材料性能数据。
本发明的一种电流变体材料阻尼性能测试方法，其计算机处理系统分
析具体的方法是在恒定温度下，计算机以一定的振幅和频率，通过强迫
谐振在样品上进行剪切实验，观拙样品的刚性模量[K]、应力与应变之间的 相位角S。将数据用相应的公式计算出样品的剪切模量G、损耗因子Tan S 、动态粘度ri等参数。 数据处理公式G'=|ii:|/"Ca^ + ，2/ (1)
G",/必"5 (2)
/7'=G"/ (3)
7"=G'/ (4)
式中.a_ 2,2+,)
(W2 +r2)lnC/ /r)_(/ 2 _r2)，
= —r4/2(W2 +,) —(一/2)ln(/ /0 + (W2 —r2)3/{24(i 2 +,2)[(i 2 +,)ln(i /r) —(i 2 —,)〗}
P—体积质量，kg/m3;"—角频率，1/S; R—外筒半径，m; r"塞柱
半径，m; h—塞柱浸没高度，m; iT—本体弹性粘度，Pa"; n "—本
体损耗粘度，Pa*s; G，一剪切模量，N/m2; G"—损耗模量，N/m2。
本发明的一种电流变体材料阻尼性能测试方法，更具体的方法步骤
是1)粘弹仪开机，预热，并打开计算机；2)添加电流变体试样将配
制好的电流变体加入试样筒6中，加入量根据试样筒容积和选择的塞柱尺
寸确定。将粘贴好的底座4、绝缘垫片5和试样筒6用夹具固定在固定底座
11上；3)调节机头8升降开关，使塞柱7插入到试样筒6中，并下降到适
当位置；4)按电路图将隔离变压器l、直流高压电源2和直流微安表3连
接到测试系统中；5)开始测试，根据材料的粘度、模量等指标选取测试频
率；6)加电压测试，每次测试完毕，及时断开高压电源与试样筒之间的开
关，下次测试时再打开。测试电压一般为0~4kV，每500V为一个测试电压
点。7)全部测试完毕，首先调节高压电源至0，然后关闭高压电源，并断
开高压电源与仪器之间的连接线；8)保存数据，进行试验数据处理；9)
关闭粘弹仪主机和计算机。
通过本发明的一种电流变体材料阻尼性能装置及其测试方法，进行电 流变体性能测试，不仅能够得到传统流变仪能够测试的粘度和流变特性数 据，还能够得到电流变体的储能模量、损耗模量、损耗因子、柔量等性能 数据，为电流变体的件能评价提供了更为详实的数据，同时为电流变体阻尼器、隔振器等智能器件的设计提供了有效的材料性能指标，对电流变体 智能器件的设计具有很好的指导作用。
图1是电流变体阻尼性能测试装置原理图。其中，l是隔离变压器；2 是直流高压电源；3是直流微安表；4是环形抽运装置底座；5是绝缘垫片； 6是试样筒；7是塞柱；8是粘弹仪机头；9是固定底座；10是粘弹仪主机； ll是计算机。
图2是测试部分原理图。其中，4是环形抽运装置底座；5是绝缘垫片； 6是试样筒；7是塞柱；20是电流变体。
具体实施例方式
按照附图1所示的装置原理，选择了 MAK-04型粘弹仪10、 10kV高 压电源2、直流微安表3、隔离变压器l、经绝缘处理的环形抽运装置4组 成了电流变体阻尼性能测试装置。流变体20在试样筒6中，高压电源2的 正极与试样筒6连接，负极与塞柱7连接，并接地，此时在试样筒6和塞 杵7之间就会形成高压电场，通过高压电源2可调节电场强度。测试时， 塞柱7在电流变体20中做上下剪切运动，在高压电场的作用下，电流变体 20屮的粒子产生有序排列，表观粘度会增加，使塞柱7产牛的剪切力增加， 从而可测试出电流变体20的粘度、模量等材料参数。
利用本套装置测试电流变体材料的性能，测试过程主要包括以下步
骤
1) MAK-04型粘弹仪10开机，预热，并打开计算机；
2) 添加电流变体试样将配制好的电流变体20加入试样筒6中，一 般加入1.5 2ml，将粘贴好的底座4、绝缘垫片5和试样筒6用夹具固定在 固定底座11上；3) 根据材料粘度选取塞柱7，直径为8mm，它与试样筒之间的间距 为lmm，并将其安装在粘弹仪机头8上；
4) 调节机头8升降开关，使塞柱7插入到试样筒6中，并下降到适 当位置。此过程电流变体材料20会从试样筒中部分溢出，用脱脂棉或吸水 纸将溢出的电流变体清理干净；
5) 按电路图将隔离变压器1、直流高压电源2和直流微安表3连接到 测试系统中；
6) 开始测试，根据材料的粘度、模量等指标选取测试频率；
7) 加电压测试，每次测试完毕，及时断开高压电源与试样筒之间的 开关，下次测试时再打开。测试电压一般为0~4kV，每500V为一个测试电压点。
8) 全部测试完毕，首先调节高压电源至O，然后关闭高压电源，并断 开高压电源与仪器之间的连接线；
9) 保存数据，进行试验数据处理；
10)关闭MAK-04型粘弹仪主机和计算机。
权利要求
1、一种电流变体材料阻尼性能测试装置，其特征在于装置包括粘弹仪主机、经绝缘处理的环形抽运测试装置、高压电源、隔离变压器、直流微安表。
2、 根据权利要求1所述电流变体材料阻尼性能测试装置，其特征在于 所述的粘弹仪主机，包括机头、计算机处理系统，其中机头与环形抽运测试 装置的塞柱相连，机头包含了激振器、加速度传感器和位移传感器，激振器 能够产生不同频率的振动，从而对填充在试样筒中的电流变体产生剪切作用， 并通过传感器测试塞柱的位移和加速度，通过计算机处理系统分析处理，最 后得出电流变体材料性能数据。
3、根据权利要求1电流变体材料阻尼性能测试装置，其特征在于所述 经绝缘处理的环形抽运测试装置，具体的绝缘处理方式是玻璃钢绝缘垫片用 胶粘剂粘贴在环形抽运装置底座上，试样筒粘接在绝缘垫片上，从而使试样 筒和底座之间绝缘，当高压电源工作时，高压电只加在了试样筒上，在试样 筒和塞柱之间形成高压电场，从而使试样筒和塞柱以外粘弹仪的其他部分不 带电。
4、 一种电流变体材料阻尼性能测试方法，其特征是利用包括粘弹仪 主机、经绝缘处理的环形抽运测试装置、高压电源、隔离变压器、直流微安 表组成的测试装置，按照一定的测试歩骤，通过机头的激振器、加速度传感 器和位移传感器，产生不同频率的振动，对填充在试样筒中的电流变体产生 剪切作用，并通过传感器测试塞柱的位移和加速度，通过计算机处理系统分 析处理，最后得出电流变体材料性能数据。
5、权利要求4所述一种电流变体材料阻尼性能测试方法，其特征在于 所述计算机处理系统分析处理具体的方法是在恒定温度下，计算机以一定 的振幅和频率，通过强迫谐振在样品上进行剪切实验，测出样品的刚性模量 [K]、应力与应变之间的相位角S 。将数据用相应的公式计算出样品的剪切模量G、损耗因子TanS、动态粘度ri等参数； 数据处理公式<formula>formula see original document page 3</formula>(3)(4)P—Z/2(i 2 /2)ln(胁)+ (/ 2 -,)3/{24(i 2十一)[(i 2 +,)ln(i /。-(i 2 -,)〗}P—体积质量，kg/m3; G)—角频率，1/S; R—外筒半径，m; 「塞柱半径， m; h—塞柱浸没高度，m; n'—本体弹性粘度，Pa，s; il"—本体损耗粘度， Pa's; G'—剪切模量，N/m2; G"—损耗模量，N/m2。
6、权利要求4所述一种电流变体材料阻尼性能测试方法，其特征在于 所述测试步骤为1)粘弹仪开机，预热，并打开计算机；2)添加电流变体 试样将配制好的电流变体加入试样筒6中，加入量根据试样筒容积和选择 的塞柱尺寸确定。将粘贴好的底座4、绝缘垫片5和试样筒6用夹具固定在 固定底座ll上；3)调节机头8升降幵关，使塞柱7插入到试样筒6中，并 下降到适当位置；4)按电路图将隔离变压器l、直流高压电源2和直流微安 表3连接到测试系统中；5)开始测试，根据材料的粘度、模量等指标选取测 试频率；6)加电压测试，每次测试完毕，及时断开高压电源与试样筒之间的开关，下次测试时再打开。测试电压一般为0 4kV，每500V为一个测试电 压点。7)全部测试完毕，首先调节高压电源至O，然后关闭高压电源，并断 开高压电源与仪器之间的连接线；8)保存数据，进行试验数据处理；9)关 闭粘弹仪主机和计算机。
全文摘要
本发明介绍了一种电流变体材料阻尼性能测试装置及方法，装置包括粘弹仪主机、经绝缘处理的环形抽运测试装置、高压电源、隔离变压器、直流微安表，粘弹仪主机包括机头、计算机处理系统，机头与测试装置的塞柱相连，机头包含了激振器、加速度传感器和位移传感器，激振器能够产生不同频率的振动，对电流变体产生剪切，并通过传感器测试塞柱的位移和加速度，分析处理后得出电流变体材料性能数据。本发明能够得到粘度和流变特性数据，还可得到电流变体储能模量、损耗模量、损耗因子、柔量等性能数据，为性能评价提供更多数据，为电流变体阻尼器等智能器件的设计提供有效的材料性能指标。
文档编号G01N11/10GK101526459SQ20091006470
公开日2009年9月9日 申请日期2009年4月16日 优先权日2009年4月16日
发明者孙英富, 王绪文, 郭万涛 申请人:中国船舶重工集团公司第七二五研究所