偏二甲肼悬浊液电流变特性的实验研究

武冠杰, 胡松启， 刘凌毅， 任全彬， 于秀丽， 胡声超， 高 峰， 张教强

(1. 西北工业大学 燃烧、流动和热结构国家级重点实验室， 陕西 西安 710072; 2. 北京宇航系统工程研究所， 北京 100076)

1 引 言

偏二甲肼(UDMH)作为性能优良的高能液体燃料[1-2]，在许多液体火箭发动机内都有广泛应用。由于其常温液态储存、易燃易爆及腐蚀性强等特性，导致其长期储存与长途运输较为困难[3-4]。因此，采取新方法和途径来实现偏二甲肼的储存和运输显得尤为紧要。电流变技术[5-7]是一种通过电场连续可逆地调节流体的流变特性的技术，具有响应迅速、连续可控、调节范围广等优点。将电流变技术应用到液体火箭推进剂中，通过加入电场使偏二甲肼从液相转化为凝相，可大大降低偏二甲肼的腐蚀性和危险性，能够解决液体推进剂运输难题，可以使液体推进剂长期储存在导弹/火箭储箱内，实现快速发射。因而，研究偏二甲肼的电流变特性对其在军事和航天领域的使用和发展具有现实意义。

Winslow[8]在1947年首次提出电流变效应，他将半导体介质粉末均匀混合在绝缘液体内，在电场强度为3 kV·mm-1的外加电场下，悬浮液的粘度增加了几个数量级。Hao[9]研究介质颗粒的介电损耗对电流变效应的影响，当介质颗粒的介电损耗超过某个临界值时会引起介质热运动，有利于成纤化结构的形成，从而实现电流变效应，但介电损耗过大反而会破坏成纤化结构。茅海荣[10]通过将沸石介质加入50#硅油制备电流变液，研究电流变液的抗压强度与剪切屈服应力，得到在外加电场下电流变液的抗压强度远远大于相同电场强度下的剪切屈服应力，但未研究沸石介质的含量对电流变特性的影响。

本研究将电流变技术应用到偏二甲肼中，利用电流变测试系统对制备的偏二甲肼悬浊液电流变特性进行实验研究，分析介质质量分数、电场强度和偏二甲肼含量等因素对UDMH悬浊液电流变特性的影响规律，以期为电流变技术应用到液体火箭推进剂的储存和运输奠定基础。

2 电流变特性实验装置原理及组成

2.1 实验原理

利用电流变液在高压电场下表观粘度大幅提升的基本特征，测试偏二甲肼悬浊液的质量流率变化，从而表征悬浊液的电流变特性。

测试原理参考运动粘度测试方法[11-12]，由于重力和液体层间内摩擦力的相互作用，流体在一定速度下将受力平衡做匀速运动。同时电极板通道截面为长宽比很大的矩形，所以将矩形通道近似看作两平行板通道。根据以上假设分析可以把电极通道内悬浊液流动过程转化为两平行板间匀速流动模型。其受力分析如图1所示。

图1 电极通道内悬浊液受力分析

Fig.1 The force analysis of suspension in electrode channel

按图1所示，在电极板通道内，单位面积的悬浊液受重力作用在上下液面间产生一个压力差p，在通道截面积A内形成驱动力F，使悬浊液向下加速运动。根据牛顿粘滞定律，粘性流体作层流运动时，各层流动的速度不同，相邻两层之间存在内摩擦力f，随着速度增加内摩擦力f也不断增加。最终在一定速度v下，悬浊液会达到受力平衡，即内摩擦力f与驱动力F相等，悬浊液以速度v匀速向下运动。

以两极板中间面为基准面，前后各取δ厚的流体层，根据牛顿粘滞定律，该流体层前后两面受到内摩擦力f为[13]:

(1)

在速度v下，流体达到受力平衡，内摩擦力f与驱动力F相等。由此得到平衡方程:

(2)

式中，p为极板上下面压差，Pa;g为重力加速度，m·s-2;ρ为液体密度，kg·m-3。

(3)

从式(2)中可以看出两板间流体的速度分布，那么流经通道的质量流率Q为:

(4)

得到:

(5)

式(4)中装置参数L、h、d和液体密度ρ保持不变，因此粘度η与质量流率Q呈反比。所以，可用质量流率Q代替表观粘度表征悬浊液电流变特性。

2.2 实验装置

根据偏二甲肼特性设计电流变测试装置，主要包括三个模块: 电流变效应模块、质量实时测试模块和真空实验舱。电流变效应模块的作用是产生电场和提供粘度测试的通道; 质量实时测试模块的作用是测量偏二甲肼各时刻的流出质量，通过对比无电场和有电场下流出质量曲线来表征悬浊液电流变特性; 真空实验舱的作用是隔绝测试过程中偏二甲肼与空气和人的接触，提高实验安全性。根据设计方案，搭建出偏二甲肼悬浊液电流变效应测试系统，结构示意图如图2a所示，实验装置如图2b所示。

a. structure diagram

b. scene photography

图2 偏二甲肼电流变特性实验测试系统

Fig.2 Experimental test system of UDMH electrorheological characteristics

2.3 实验系统可靠性测试

采用图2装置测试藻酸-液体石蜡悬浊液在电场强度分别为0，1，2 kV·mm-1时的电流变特性，每种电压均测试两次。实验中，分别选择在测试开始后260 s关闭1 kV·mm-1测试电场，550 s左右关闭2 kV·mm-1测试电场，测试液的流出质量曲线如图3所示。图3中，横坐标为时间t，纵坐标为悬浊液流入玻璃皿内的总质量M，其中质量曲线的斜率即为悬浊液流出的质量流率Q。

图3 藻酸-石蜡油悬浊液流出质量曲线

Fig.3 The flow mass curves of alginic acid-paraffin oil suspension

从图3可以看出，相同电场强度所测流出质量曲线斜率一致，说明质量流率Q相同，证明该电流变测试系统具有很好的重复性; 不同电场强度所测质量流出曲线存在巨大差异且电场强度越高其质量流率越小，此与Winslow[8]发现电场强度对电流变特性影响规律相同，说明所研制的电流变测试系统能有效的测试出电流变特性。

3 偏二甲肼悬浊液电流变特性测试

偏二甲肼存在绝缘性弱的特性，不利于实现电流变效应。针对偏二甲肼的这一特性，采用混合绝缘油的方法，将绝缘液体石蜡与偏二甲肼混合作为基液，并以藻酸作为介质，配置出偏二甲肼悬浊液，研究藻酸介质质量分数、电场强度和偏二甲肼含量对偏二甲肼悬浊液电流变效应的影响规律。

3.1 藻酸介质含量和电场强度对电流变特性影响

配制4种偏二甲肼悬浊液，其中只改变藻酸介质和液体石蜡的质量分数，确保偏二甲肼含量不变，具体配方如表1所示。

表1 偏二甲肼悬浊液配比

Table 1 Formulation of UDMH suspension

%

电流变测试中，4种偏二甲肼悬浊液在电场强度分别为0，1,2 kV·mm-1的实验结果，如图4所示。

a. 0 kV·mm-1

b. 1 kV·mm-1

c. 2 kV·mm-1

图4 不同电场下的偏二甲肼悬浊液流出质量曲线

Fig.4 The flow mass curves of UDMH suspension under different electric field

从图4可以看出，提升藻酸介质质量分数能降低各电场下偏二甲肼悬浊液的质量流率，但质量流率的变化幅度不断减少。由于电流变特性的主要衡量标准是电场作用下力学性能的变化量，综合藻酸介质质量分数在各电场下质量流率的影响规律得到，当藻酸介质质量分数较低时(介质含量小于30%)，在高电场强度下质量流率的变化量大于低电场下的变化量，提升介质质量分数可以增加悬浊液电流变特性; 但当介质质量分数过高时(介质含量大于30%)，则与之相反。实验发现藻酸介质质量分数为30%时，5%偏二甲肼含量的悬浊液电流变特性综合性能最佳。

3.2 偏二甲肼含量对悬浊液电流变特性影响

由于偏二甲肼存在弱绝缘性，偏二甲肼含量对悬浊液绝缘性影响较大。在一定电场下，偏二甲肼含量较高的悬浊液会产生较大的电流，造成电源无法运行，甚至会发生反应生成气体。当偏二甲肼含量超过15%时，悬浊液在一定电场下都会发生反应产生气泡，图5为30%偏二甲肼含量的悬浊液在电场强度2 kV·mm-1的反应图。

图5 电场下偏二甲肼悬浊液反应图

Fig.5 The reaction photo of UDMH suspensions in electric field

为了保证实验正常进行，将电流密度为200 μA·cm-2时的电场强度作为电流变测试场强。由于不同偏二甲肼含量的悬浊液电阻不同，因而在相同电流密度的情况下，施加的电压强度有所不同。表2为含量20%的藻酸与不同含量液体石蜡和UDMH的悬浊液配比和实验参数。

表2 偏二甲肼含量不同的悬浊液配比和实验参数

Table 2 Formulation and experimental parameters of suspensions with different UDMH contents

alginicacid/%paraffinoil/%UDMH/%electricfieldintensity/kV·mm-12075522070101．452065150．962060200．402055250．272050300．17

图6a为偏二甲肼悬浊液零电场下的流出质量曲线，可以看出偏二甲肼含量变化对悬浊液零电场质量流率影响较小，无电场时悬浊液质量流率主要由绝缘油粘度和介质质量分数决定。图6b为偏二甲肼悬浊液在有电场下的流出质量曲线，可以看出偏二甲肼质量分数为5%、10%、15%的悬浊液存在明显的电流变效应，而20%、25%、30%悬浊液不存在电流变效应。这是由于偏二甲肼含量较高，降低了悬浊液的绝缘性，使可以施加的电场强度过低，无法达到电流变效应临界电场强度。因此，提升高含量偏二甲肼悬浊液的绝缘性对实现其电流变效应尤为重要。

a. no electric field

b. electric field (1 kV·mm-1)

图6 有无电场下不同偏二甲肼含量的悬浊液流出质量曲线

Fig.6 The flow mass curves of suspension with different UDHM contents with in and without electric field

3.3 15%偏二甲肼悬浊液电流变特性实验

根据实验，发现偏二甲肼含量低于15%时可以实现电流变效应，因此进一步研究偏二甲肼含量为15%的悬浊液中藻酸介质含量对其电流变效应的影响。表3为偏二甲肼含量15%的悬浊液配比表。

表3 偏二甲肼含量15%的悬浊液配方

Table 3 Formulation of suspensions of UDMH content as 15%

%

电流变测试中，6种不同藻酸含量的偏二甲肼悬浊液在电场强度1 kV·mm-1下的实验结果，如图7所示。

图7 不同藻酸含量的悬浊液流出质量曲线

Fig.7 The flow mass curves of suspension with different alginic acid contents

由图7可知，6种悬浊液的质量流率随藻酸介质含量的增大而减小，可见在一定范围内随着藻酸含量的提高悬浊液的粘度不断增加。但藻酸含量为20%和25%的电流变液其流出速率基本一致，说明偏二甲肼含量为15%的悬浊液在藻酸含量超过20%后，再增加藻酸介质含量对悬浊液的电流变特性影响不明显。同时，藻酸含量为0%的悬浊液并未发生电流变效应，可见15%偏二甲肼含量的悬浊液添加藻酸介质是非常必要的，最佳藻酸含量为20%。

4 总 结

(1) 偏二甲肼的弱绝缘性不利于实现电流变效应，提升偏二甲肼基液绝缘性是配制出高含量偏二甲肼电流变液的关键，而采用混合悬浊液的方法大幅提升了基液的绝缘特性，实现了偏二甲肼悬浊液电流变效应。

(2) 无电场下和有电场下，偏二甲肼悬浊液质量流率均随藻酸介质质量分数的增加而减小，但在电场下由于电流变效应，悬浊液质量流量会随藻酸介质质量分数的增加趋于稳定。

(3) 偏二甲肼含量超过15%的悬浊液在一定电场下会产生较大电流，并产生气泡，但其含量小于15%的悬浊液都可实现电流变效应。

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