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集成剪切增稠液体夹心结构的动态特性
摘要
在夹心结构中集成剪切增稠液体已经被用来研究改变部分结构在动态变形时刚度和阻尼特性. 从基于在聚丙二醇浓缩熔融二氧化硅--STF振荡流变学测量的结果，与集成有STF的聚氯乙烯（PVC）梁与梁夹层结构振动试验结果相关。高于临界振幅，PVC的相对运动梁引起二氧化硅的剪切增稠悬浮液，并且振动和阻尼特性均显著改变.通过计算分析剪切增稠液体层的应变发现这些特性的转变与STF的流变特性相关.通过一种用缓慢固化环氧树脂代替STF的实验方法验证.集成有STF的结构显现在动态挠曲变形中的特性,可以用来控制振动响应,已经得到证实.
引言
过去的几十年里，在广泛的领域中，阻尼问题变得越来越重要, 包括航空、汽车和运动. 同时,聚合物材料由于其集低密度, 优异的刚度和阻尼特性于一身越来越得到重视。被动方法如表面阻尼处理[1],约束层阻尼[2]和杂交(例如使用混合聚乙烯纤维和碳纤维为主的叠层结构),可以提高复合物的阻尼特性[3]，以及纤维长度，方向和表面处理对复合材料的减振性能的影响也进行了详细的微观方面研究[4-7].
自适应材料集成到复合结构去更好地控制振动和刚度是另一个引起广泛兴趣的领域。一个著名的例子是，预变形的形状记忆合金材料（SMA）丝，材料性能是随温度是变化而变化的，例如焦耳热[8–10 ]。电流变（ER）和磁流变（MR）液，通常被称为“智能流体,提供通过外部激励来进一步改善振动特性,不仅在复合材料领域,在其他领域也是广泛应用的[11-13], 所有这些方法的共同点是它们都需要外部激励才能被激活。
使用能够根据外部荷载条件来改变自身性能的材料是一种不需要外部激励源的一种方法. 这种行为是剪切增稠液体的特性（STFs）,STFs通常是由集中稳定分散在载体液中的刚性亚微米颗粒组成，当剪切速率y超过一个临界值，粘度eta;会出现一明显的增加，其通常归因于流体动力聚类作用[14-18]。对剪切增稠液的最初的兴趣来自于它与加工设备的损害相关联以及它悬浮微结构的急剧变化，导致较差的流动性能和涂层性能。使用这样的系统来设计阻尼和控制装置的可能性，第一次在工业机械安装的环境中被调查。最近，Lee等人的研究[ 19 ]表明，在弹丸高速撞击时STF浸渍Kevlar垫比环氧树脂浸渍垫吸收更多的能量。
在稳态测试中, 在稳态测试中，在剪切增稠液中剪切增稠相变出现在剪切率量级为10/s左右转变的最大值称为临界值，三种情况可能出现
1）由于高粘度剪切增稠液试件发生断裂
2）粘度趋近于与剪切率无关
3）粘度随着剪切率的增大而下降
剪切增稠这种特性与一系列的参数有关,其中最重要的有粒子尺寸分布,粒子含量,颗粒的形状,颗粒与颗粒之间的相互作用以及连续相的粘度. 这些因素的累积效应确定剪切增稠的程度和粘度过渡锐度以及过渡后的响应。
目前，在STFs动态特性方面已经有较少的研究成果了。Laun等人[21]研究了动态剪切增稠的临界应变幅值，在特定的角频率下，聚合物胶乳分散体随omega;的增加而降低，最终在最高角频率omega;下达到一个平台。以下Boersma等人[ 24 ]，研究了单分散二氧化硅颗粒悬浮在甘油和水的混合物，把在低角频率omega;下的行为理解为在稳态剪切响应，即。然而在较高的omega;的行为的机理还不是较为明了。一些学者认为即使在最高的角频率omega;下[21,25]剪切增稠还是需要一个最小的应变幅值，而有些人已经观察到了类似的频率依赖性，在低角频率omega;下[ 24，26 ]，Lee和Wagner也从应力 - 应变曲线李沙育图像证明，粘性耗散大幅增加发生在剪切增稠转变[14]。
目前的研究主要集中在将STFs整合到复合夹层结构中在特定的条件下诱导后者的动态特性转变，为此，对在聚丙二醇中浓缩熔融二氧化硅在震荡剪切下的流变行为进行了研究，并测定了不同omega;下的。集成有STFs的夹心结构的响应通过振动梁测试确定。为了把夹层结构的刚度和阻尼与STF的流变特性联系起来，梁与梁的表面剪切在任何给定频率和自由端位移的条件下被分析确定，这些将在下面的部分进行说明。在界面eta;变化的重要性用固化环氧取代STF来研究。
2.梁梁界面剪切应变的计算
图1所示的夹层模型结构示意图。由厚度和厚度的两根悬臂梁组成，通过厚度为的界面将两根梁分离。夹层结构的总长度为L，在结构的自由端施加一个正弦变化的点对点位移W，另一端被固定。
从经典梁理论，每个聚氯乙烯（PVC）的悬臂梁弯曲应变通过以下公式计算出[ 27，28]
（1）
其中M是弯矩，E为杨氏模量，是转动惯量和z是到梁的中性轴垂直距离。悬臂梁振动的空间/时间位移函数可近似由[29]表示
(2)
其中m为振动模式，x是与夹紧端的距离，t是时间。这个方程满足边界条件W = DW/ DX= 0在 x = 0处，而在现实只DW/ DX= 0在x =0。但是，假设在当前的几何模型下边界条件w= 0，在 x = 0处，对于当xgt;gt;0时的整体偏转场影响不大。通过（1）和（2）给出了挠曲应变与Z的函数：
(3)
通过设置Z等于所述梁厚度的一半h1/2可以得到任何点在梁的上表面的位移
同样地，在梁的下表面的位移由下式给出
在图1中的两个梁之间的界面处的相对位移是delta;1 - delta;2和相应的剪切应变是
3.材料和方法
STF是基于亲水性热解二氧化硅（Aerosil200，Degussa公司生产），它具有一个主尺寸为12nm的（球形）颗粒和比表面积约200。
初级颗粒被不可逆地结合，以形成大的聚集体，这些聚集体根据供应商提供，不能被剪切破坏。载体液是PPG（H [OCH（CH 3）CH 2] nOH它的平均摩尔质量1000（来自Sigma-Aldrich公司）。
在每一种情况下，载体液加入到该粉末，并用机械搅拌器搅拌5分钟来混合两种组分，然后将所得的悬浮液置于真空室中数小时，以消除悬浮所有的气泡，15%W / W固体含量的被选为研究对象，因为这是提供相对较低的静态粘度eta;，有明显的剪切增稠和高后过渡eta;的最佳组合。PVC是从maagtechnic AG购买，梁的尺寸为150x40x2和150x40x2（这些尺寸的选择主要是匹配VBT装置力传感器的灵敏度）。文献值假定PVC的弹性模量E（2964MPa）和的密度rho;（1392
）[30]。为了控制界面的厚度，用直径为85或140微米的尼龙纤维作隔离物。选择室温固化时间约为8小时的环氧树脂（Suter Kunststoffe型，即双组分系统）与STF比较。流变学测量在应变控制流变的ARES流变仪进行。进行了稳态应变率扫描，动态频率扫描和动态应变扫描，使用间隙为400微米的25mm直径的平行板，为了检查仪器误差，选定的测量工具为有0.1弧度的锥角25mm直径的锥板工具。为了减少试样–工具界面滑移，板的表面覆盖有砂纸。在测试前，每个试件都在剪切率为1/s的条件下加载60s。这种预应变的目的是要打破该趋于形成在静止状态的凝胶结构。环氧树脂的固化是通过动态时间扫描在20％的恒定应变和1赫兹的频率监测，使用平行板的直径为25毫米。该间隙是在这种情况下，设置为500微米。
夹层结构由三个2毫米厚的PVC梁用于VBT测量（图2），
而不是在上一节中提到的双梁夹层结构 ，但是这对界面剪切的计算没有影响。夹层结构的动态特性通过在界面上涂有以下三种材料进行研究(i)牛顿流体(ii)室温固化环氧树脂(iii)STF剪切增稠液体。VBT的设置（图3）是用类似于先前分析影响嵌入式阻尼层[ 31，32 ]。将试样在一段夹紧，而另一端通过力传感器耦合在激振器上。样品尖端的位移使用激光速度传感器监测，并且激励的振幅连续地调节，以便保持
位移幅值不变。然后将相应的力及柔度记为固定位移幅值随频率变化的函数。
4.结果与讨论
4.1、STF的流变响应
图四显示的为体积分数为15%的气相二氧化硅PPG悬浮液的复数粘度与omega;的关系在不同的应变幅度下，转变发生在相对较低的omega;且较高的，但是临界随着 的减少而单调递增。
在omega;下面的过渡范围，所有曲线表现出大致相同的幂律行为。曲线叠加也超越了过渡，除了那些gamma;0=750和1000％的。然而，发现后者与总的趋势的偏差是由于样品的内聚破坏。
Delaware--Rutgers规则指出， ，其中已显示描述了各种填充系统[33]的流变反应，在目前的情况下没有被证实，先是由Rhagavan和Khan[25]对类似的的单分散系统进行观察，并有Lee和Wagner证实。因此，为了充分考察STFS对任意的和以及和转变结束的应变的组合的响应，被绘制为一个关于omega;的函数，采用动态频率扫描数据（图4）和动态恒定omega;应变扫描（图5），图6中给出了体积分数为15％w / w的热解二氧化硅的PPG悬浮液的结果。这样的图像可以用来预测STF是否处于低粘度状态，在过渡状态或在剪切
增稠状态。多项式拟合结果（图四），可以来估计eta;转变前和转变后的任意gamma;0和omega;的值。
4.2、夹层结构的动态响应：固化环氧树脂在界面中的作用
探讨在梁–梁界面eta;的变化对夹层结构的整体动力响应的影响，VBT测量了界面处含有固化环氧树脂的试样，图7示出的储能模量
的损耗模量 ，损耗因子tandelta;，环氧树脂在室温下（总计450分钟）的固化时间与eta;*的函数。随着固化时间的增加eta;*的增加会使夹层结构的第一阶固有频率稍微的增加相对于独立的三层厚度为2mm的梁，对于单根厚度为6mm的梁有较为显著的提高。VBT测量的结果显示于图8，详细低频行为如图9。
图10给出了一阶共振频率f1，以及在f1处的弯曲柔度C（F1），和准静态柔度（频率为1Hz），与环氧树脂粘度eta;*的函数。当lt;100 Pa. s 时f1基本没有改变，峰值幅度即柔度当从1增加到10Pa.s时，为eta;*进一步增加时，该PVC之间的应力传递梁变得更加显著，所以f1开始增加。此外，如图8所示，当eta;* =140Pa.s时峰值幅度减小到接近零于，反映在该粘度范围内的环氧树脂的强阻尼效果。然而，当粘度在大约1000Pa.s时峰值再次出现，并且这种状态下的共振频率与单片6mm梁的接近，表明界面有较高的应力传递。结构是但仍高阻尼，这是eta;*已经增加至约104Pa.S后的峰值稳定并回复到其初始强度。
根据欧拉伯努利梁理论可以解得悬臂梁的第N阶共振频率fn[34,35]:
(7)
其中n是振动模式的特征常数，rho;是光束密度，A是梁的横截面面积。方程（7）可以计算出三倍厚度的梁的第一阶共振频率与实验测量的三层梁的差值。
悬臂梁试件的柔度delta;有以下公式定义[28]
（8）
其中第一个因子1/E通常反映梁的弯曲性能，第二个因子取决于梁的几何形状。弯曲刚度D=EI可以从图10中估计使用（i）f1的转变(方程7)和（ii） 的变化（方程8）.
D与粘度的关系如图11所示。对于eta;lowast;＜300 Pa.s，两种方法得到类似的结果。在更高的eta;*，但是，方法（i）导致不连续峰移（比照
图11（a）），而方法（ⅱ）可以平滑过渡延伸至eta;*的相对大的值（参见图11的（b））。这是由于在梁–梁界面高粘弹性性质的固化环氧树脂当eta;lowast;在（10^2lt;eta;lt;10^4）： 用于计算(图11（1）)抗弯刚度高于在较高频率下的有效合柔度。在更高eta;*，环氧树脂会相互交联，但是这个效应不再重要，并且这两种方法再次得到类似结果。
4.3、STFS对梁的动态特性的影响
在图12中三层2mm夹层为牛顿流体PPG（a），单层厚度为6mm的柔度随频率的变化图像在不同的自由端位移的情况下。不出所料，f1在任一情况下与自由端位移无关。对于单层梁（图12（b）），共振峰的幅度随着自由端位移的增加而降低，这是典型的粘弹性材料[35]。设定的最大件端位移是由力传感器的灵敏度确定对已单层梁要低一些。
含有STF的夹心梁在不同的自由端位移的情况下，柔度随频率的变化曲线如图13所示。最大值在频率为18到20Hz左右接近第一阶固有频率。可以观测到峰值振幅A显著随着尖位移单调下降，表明阻尼的增加。这是由于在STF层相应的粘度增加，导致在界面上更好的应力传递，与增加的过渡[14]的附近在STF层内阻尼组合，结合阻尼在STF层转变[14]附近增加。阻尼的程度从幅度响应[35]的带宽估计的，并且发现，当delta;由4毫米（结构损耗因子xi;= 0.29）升高到11毫米（xi;= 0.61），阻尼增加一倍。但是这些值是近似的，因为这里所使用的带宽方法只保证精确的值当xi;lt;0.1，即对于弱阻尼结构。f1也从18赫兹（delta;= 4 MM）的初始值增加到20赫兹（delta;= 11 MM），根据等式（7）对应于增加抗弯刚度的23.5％。这甚至可能会低估STF的效果;当一其个给定的结构的阻尼增加[35]1谐振频率通常会降低[35]。另一方面，不希望瞬态凝胶形成影响此行为，因为测试均在预剪切悬挂的一体化后立即进行，而显著凝胶化一般只有数天之后在静止状态观察。
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