一种基于流变仪改进的界面滑移参数测量装置与方法与流程

本发明属于界面滑移参数测量装置技术领域，特别涉及一种基于流变仪改进的界面滑移参数测量装置与方法。

背景技术：

随着水介质润滑的广泛使用，传统润滑模拟计算中普遍采用的固液界面无滑移假设适用性受到挑战。更有精确的实验结果证实了浸润性较差的材料表面容易发生界面相对滑移，从而影响工作性能。滑移长度和极限剪切应力是衡量固液界面发生滑移难易程度的主要指标。固液表面滑移参数的测量实验大多需要设计精密测量的仪器，并且很多装置只适用于微观尺寸下固液界面滑移参数的测量，所以在界面滑移的应用中，目前还处于假设表面参数进行理论建模仿真的阶段，这阻碍了将界面滑移效应直接应用于工程应用的性能分析。

目前固液界面滑移参数测试方法主要包括直接测量法与间接测量法两类，直接测量法中应用较多的有光脱色荧光恢复技术(TIR-FRAP)、微颗粒显影技术(μ-PIV)和近场激光速度仪(NFLV)对靠近固体表面的流场进行直接观测，从而得到固液间的滑移参数；间接测量法中多采用表面力仪(SFA)、原子力显微镜(AFM)或微通道技术(Capillary)，通过圆柱或微球靠近时的动压阻力(或液体流经微通道后的压降)与无滑移假设后的理论计算值作对比，间接得到固液间滑移参数。上述主要方法中，普遍只能测量特定微观固液间界面滑移参数，很多装置对被测表面的形状有特定要求，且大多需要借助复杂的光学处理程序或大型测量设备，并不能满足实际工程中对大量固液表面之间的测量需求。

由于现有技术存在上述不足，目前还没有可简捷测试固液界面之间界面滑移参数的测量装置。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于流变仪改进的界面滑移参数测量装置与方法，可解决固液界面滑移参数测量复杂的问题，便捷完成不同固体表面与不同液体之间界面滑移参数的测量。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于流变仪改进的界面滑移参数测量装置，在流变仪的下试样台1、锥板转子3的基础上，环形的试样夹具5通过定位螺钉6连接在流变仪下试样台1上，试样夹具5与锥板转子3共轴，圆柱形试样4通过试样夹具5固定于流变仪下试样台1上，位于试样夹具5的中心位置，与此同时，夹具上压板7轴向压紧试样夹具5，并通过内六角螺钉8与流变仪下试样台1连接。

所述试样夹具5通过台阶面与下试样台1上表面接触进行轴向定位，通过柱面进行径向定位，圆柱形试样4通过台阶面与试样夹具5上表面接触进行轴向定位，通过柱面夹紧进行径向定位。

所述夹具上压板7通过三个内六角螺钉8与流变仪下试样台1连接，通过调整所述三个内六角螺钉8，对圆柱形试样4与锥板转子3之间的平行度进行调整。

本发明还提供了利用所述基于流变仪改进的界面滑移参数测量装置的测量方法，先计算固液界面的滑移长度：

其中，δ是滑移长度，R是锥板转子3的半径，θ₀是锥板的锥角，Ω是锥板转子3的转速，M是测得的力矩，μ是被测液体的粘度；

通过滑移长度δ随剪切速率的变化，得到极限剪应力的数值或范围。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)克服了原有流变仪中无法更换下试样台材料的缺点，下试样可更换为任意平面材料，同时利用了流变仪对不同转速下力矩的精确测量，扩展了流变仪的功能范围，从而可以便捷测量任意平面材料与液体间的界面滑移参数；

(2)利用夹具上压板同时实现了对下试样的轴向限位及平行度调节。

附图说明

图1是本发明试验装置的结构半剖图。

图2是本发明所采用的流变仪原有结构半剖图。

图3是本发明试验装置的轴侧视图。

图4是本发明实施例中的剪切速率——切应力曲线结果。

图5是本发明实施例中的剪切速率——滑移长度结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，一种基于流变仪的界面参数测量装置，在原有流变仪和下试样台1、锥板转子3的基础上，试样夹具5通过定位螺钉6连接在流变仪的下试样台1上，圆柱形试样4通过试样夹具5固定于流变仪下试样台1上，试样夹具5为环形，与锥板转子3共轴，圆柱形试样4位于试样夹具5的中心位置，与此同时，夹具上压板7轴向压紧试样夹具5，并通过内六角螺钉8与流变仪下试样台1连接。

试样夹具5通过台阶面与下试样台1上表面接触进行轴向定位，通过柱面进行径向定位，圆柱形试样4通过台阶面与试样夹具5上表面接触轴向定位，通过柱面夹紧，进行轴向及径向定位。在测试过程中，由于锥板转子3对圆柱形试样4向上的吸引力，圆柱形试样4会有向上的运动趋势，夹具上压板7限制了这种运动趋势。此外，圆柱形试样4与锥板转子3之间的平行度可以通过调节夹具上压板7上的三个内六角螺钉8进行调整，从而保证液膜2的均匀性和结果的准确性。

本发明的工作原理：

通过使用试样夹具5和夹具上压板7实现了对流变仪下试样所使用的材料进行更换，同时利用三个内六角螺钉8的调节保证被测圆柱形试样4与锥板转子3之间的平行度，利用流变仪在不同转速下对转动过程中的力矩进行精准测量，利用不同试样在相同剪切速率下的力矩的比值来测量固液界面的滑移参数——滑移长度和极限剪应力。

固液界面发生界面滑移后，流变仪测得的摩擦力矩会低于未发生滑移表面的摩擦力矩。可以通过力矩低于未滑移理论值的摩擦力矩拐点对应的临界转速得到固液界面的极限剪应力。

通过积分计算，可以从力矩值、转速中得到相应的滑移长度的计算公式：

其中，δ是滑移长度，R是锥板转子半径，θ₀是锥板的锥角，Ω是转子的转速，M是测得的力矩，μ是被测液体的粘度。通过测得的滑移长度随剪切速率的变化，可以得到极限剪应力的数值或范围。

实施例

本实施例采用奥地利安东帕MCR302旋转流变仪作为测量系统基础进行测量，采用的锥板转子为CP50-0.3转子，石墨材料型号为FH82Z5。

利用测量装置测得的去离子水——PTFE材料、石墨材料之间的剪切率——力矩曲线及基于原有流变仪测得的去离子水——下试样台之间的剪切率——力矩曲线如图4所示。

以原有试样台测得的曲线为基准，由上式得到的滑移长度——剪切率曲线如图5所示，所测得的PTFE材料的滑移长度为45μm，浸渍石墨材料的滑移长度为5μm，这两种材料的极限剪应力都小于1Pa。

以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。