稳态法向力的测量方法与注意事项

（1）稳态法向力与测试时间的关系

图4.14 所示为剪切速率为1/s 时不同磁场强度下稳态法向力随着测试时间变化的曲线。总体来说，给定一恒定磁场强度，法向力随时间变化较小，但存在一微小周期振荡，郭朝阳认为这种周期性振荡来源于流变仪上平板转子的转动。

图4.14　稳态法向力随测试时间的变化曲线

（2）稳态剪切法向力与磁场强度的关系

剪切作用下，磁场强度对法向力的影响如图4.15 所示。与静态法向力类似，稳态法向力随着磁场强度的变大也呈指数增加，磁场较小时，法向力表现为吸引平板的负值，直到磁场超过临界值后（0.03 T），由于有序结构的形成法向力才变成排斥平板的正值。

图4.15　稳态法向力随磁场强度变化的曲线

通过数据拟合，得到法向力与磁场强度的关系满足如下指数关系：

如表4.2 所示，其中，k 和α 为常量。由表4.2 可知，α 的数值与剪切速率相关。因此，有必要进一步研究法向力与剪切速率的关系。

表4.2　剪切速率与拟合数值的关系

（3）稳态剪切法向力与剪切速率的关系

不同磁场作用下，稳态法向力与剪切速率的关系如图4.16 所示。实验中剪切速率从0.001 /s到100 /s 呈指数变化。与Lopez-Lopez 得到的结果类似，随着剪切速率的变化，法向力被分为3 个区域：①剪切速率较小的稳定法向力；②法向力随着剪切速率减小的区间；③法向力随着剪切速率增大的区间。法向力在这3 个区间的变化可由磁性颗粒微观结构演变进行解释。

图4.16　稳态法向力随剪切速率变化的曲线

如图4.17 所示，在剪切速率较小的区域，施加磁场后，磁性颗粒被磁化成沿磁场方向排列的稳定链状结构，表现为对上极板的排斥力；而施加一定剪切力后，这些颗粒链随着剪切方向呈一定角度倾斜，其中部分颗粒链组合成不连通的短链，甚至一些颗粒离散于基液中，相较于静态法向力，此时的法向力有减小趋势；而当剪切速率达到一定程度后，一些分散的可移动的颗粒链及被破坏的短链又重新组合成新的连通长链，还有部分颗粒链挤压进已经形成的长链中，进一步增大了法向力。正是这种颗粒链的不断破坏与重组使法向力产生变化。(www.xing528.com)

图4.17　稳态法向力的微观结构演化

（a）B≠0，v=v1；（b）B≠0，v=v2 ＞v1；（c）B≠0，v=v3 ＞v2

（4）平均稳态法向力与剪切应力的关系

图4.18 所示为剪切速率为0.1/s 时扫描磁场得到的平均法向力与剪切应力的变化曲线。平均法向力定义为由流变仪测得的法向力与测试极板表面积的比值：

式中　——平均法向力；

　　　Fn——实验测得的法向力；

　　　A——平板的面积。

由图可以得到，平均法向力和剪切应力都随着磁场强度的增加而增大，且平均法向力比剪切应力大得多，平均法向力随着剪切应力的增加近似呈直线关系。这也预示着法向力的可调范围更大，比剪切应力有着更为广阔的应用空间。

图4.18　平均稳态法向力与剪切应力的对比

（a）平均稳态法向力及剪切应力随磁场变化曲线；（b）平均稳态法向力与剪切应力的关系曲线

（5）稳态剪切法向力与温度的关系

图4.19 所示为剪切速率为1/s 时，3 种不同温度下（25 ℃，40 ℃，60 ℃）稳态法向力随着磁场强度的变化曲线。与静态法向力类似，剪切状态下的法向力随着温度升高而逐渐增大，而且磁场越大，温度越高，更多分散的磁性颗粒形成更多稳定的通链甚至柱状结构，从而排斥平板的法向力越大。同时，由图可知，在磁场强度较小的区间，法向力的变化较小，而当磁场强度超过0.6 T 后，法向力变化较快。并且，剪切作用对链的破坏与重组，导致法向力存在微小波动。

图4.19　不同温度下稳态法向力