[发明专利]磁流变液流变特性的微观观测方法及装置

说明书

一种磁流变液在光学显微镜和超声近场作用下磁场无级可调的微观动态变化观测方法及装置，其特征是通过一个基于超声换能器的超声近场发生装置，利用换能器的纵振激发振动板的弯振从而对容腔中磁流变液施加超声场，磁轭由电工纯铁材料制得，保证磁感线被限制在所设计的磁路中，减少了磁漏，磁流变液容腔中的磁感应强度均匀。采用直线超声电机驱动剪切块，对磁流变液施加剪切力。本发明具有方法结构简单，体积小，工作效果好，可大规模应用于多场耦合下的磁流变液机理研究。

技术领域

本发明涉及超声近场对微观颗粒操控技术以及磁流变液材料技术，尤其是一种磁流变液流变特性观测方法装置，具体地说是一种磁流变液在超声近场和磁场耦合下的磁流变液中磁性颗粒和流变现象的微观观测方法及装置。

背景技术

超声场是一种振动频率在超声频段的机械波。在距离这种机械波辐射面很近的位置会产生较强的声辐射力，通过声辐射力的变化可来操控颗粒的位置，达到微观颗粒操控的目的。这也是多年来超声领域研究的重点之一。

磁流变液是一种流变特性可控的新型智能材料，具有响应快（毫秒级）、连续可调、能耗低等优良特点，是智能材料研究中较为活跃的一支。典型的磁流变液是由微米级高磁导率、低磁滞性的软磁材料颗粒分散于非导磁性载液（油和水）中形成的悬浮液，其物理状态和流变特性能够随外加磁场的变化而变化：在零磁场作用下其表现出良好的低粘度的牛顿流体特性；而在磁场作用下，黏度可瞬间增加两个数量级以上，并呈现出高粘度、低流动性的类固体力学特征，并且其流变后的剪切屈服强度与磁场强度存在稳定的关系。因此磁流变是一种用途广泛、性能优良的智能材料，一直是功能材料研究体系中重点，很多学者在理论领域已经取得了很多成就，但都是集中于磁流变液在磁场和温度场下的剪切特性以及测试磁流变液的性能参数。

随着磁流变液应用的越来越广泛，在不同的领域有着不同的性能要求，由于磁流变液粘度随磁场增加的响应极快，但是在某些应用要求磁流变液粘度可精确调控并且调控更加广泛。在现有超声近场对微观颗粒研究的基础上，选择向磁流变液施加超声近场，但目前并没有超声场和磁场耦合下的磁流变效应的观测设备与装置。

故考虑到该技术领域空白以及成本、直观性和高效便捷性，设计了基于驻波超声近场和磁场无级可调的磁流变液流变微观观测装置，可大规模应用于多场耦合下的磁流变液机理研究。

发明内容

本发明的目的是针对目前尚无一种能同时观察超声波和磁场对磁流变液作用情况的方法及装置而不能实现有效观察和研究，制约了该项工作开展的问题，发明一种能够同时向磁流变液施加不同强度的超声近场和磁场，并且可直观观测在不同强度超声场和不同强度磁场耦合作用或者单个场分别作用下的磁流变液微观流变过程的方法及其装置。同时在整个装置中加装速度、位移以及拉力传感器可实现对该种情况下磁流变液剪切特性测量。

本发明的技术方案之一是：

一种磁流变液在光学显微镜和超声近场作用下磁场无级可调的微观动态变化观测方法，其特征是首先在磁流变液容腔一侧安装一个基于超声换能器的超声近场发生装置，利用换能器的纵振激发振动板的弯振从而对容腔中磁流变液施加超声场，振动板夹持在其振动节点位置；整个工作台由黄铜材料制成，磁轭由电工纯铁材料制得，保证磁感线被限制在所设计的磁路中；采用直线超声电机带动剪切块从而对磁流变液实施剪切运动；在磁流变液容腔的底部镶嵌有由有机玻璃制得的透光板，由LED发光板发出的光线经过工作台光源缝透过透光板照亮磁流变液，显微镜物镜位于磁流变液容腔正上方，从而可以分别观测在不同强度超声近场作用下及不同磁场强度下的磁流变液微观流变过程，亦可观测超声场及磁场耦合作用下的磁流变液微观流变过程。

本发明的基于变幅杆式超声换能器的超声近场发生装置利用变幅杆将由夹心式换能器基于压电陶瓷d₃₃逆压电效应所产生的轴向纵振放大，激发振动板的弯曲振动，从而对磁流变液容腔中的磁流变液施加超声近场，换能器通过节点位置处的法兰盘夹持，振动板在其振动节点位置进行夹持以减小对其振动模态的干扰。