偏二甲肼懸濁液電流變特性的實驗研究

武冠杰, 胡松啟， 劉凌毅， 任全彬， 于秀麗， 胡聲超， 高 峰， 張教強

(1. 西北工業大學 燃燒、流動和熱結構國家級重點實驗室， 陜西 西安 710072; 2. 北京宇航系統工程研究所， 北京 100076)

1 引 言

偏二甲肼(UDMH)作為性能優良的高能液體燃料[1-2]，在許多液體火箭發動機內都有廣泛應用。由于其常溫液態儲存、易燃易爆及腐蝕性強等特性，導致其長期儲存與長途運輸較為困難[3-4]。因此，采取新方法和途徑來實現偏二甲肼的儲存和運輸顯得尤為緊要。電流變技術[5-7]是一種通過電場連續可逆地調節流體的流變特性的技術，具有響應迅速、連續可控、調節范圍廣等優點。將電流變技術應用到液體火箭推進劑中，通過加入電場使偏二甲肼從液相轉化為凝相，可大大降低偏二甲肼的腐蝕性和危險性，能夠解決液體推進劑運輸難題，可以使液體推進劑長期儲存在導彈/火箭儲箱內，實現快速發射。因而，研究偏二甲肼的電流變特性對其在軍事和航天領域的使用和發展具有現實意義。

Winslow[8]在1947年首次提出電流變效應，他將半導體介質粉末均勻混合在絕緣液體內，在電場強度為3 kV·mm-1的外加電場下，懸浮液的粘度增加了幾個數量級。Hao[9]研究介質顆粒的介電損耗對電流變效應的影響，當介質顆粒的介電損耗超過某個臨界值時會引起介質熱運動，有利于成纖化結構的形成，從而實現電流變效應，但介電損耗過大反而會破壞成纖化結構。茅海榮[10]通過將沸石介質加入50#硅油制備電流變液，研究電流變液的抗壓強度與剪切屈服應力，得到在外加電場下電流變液的抗壓強度遠遠大于相同電場強度下的剪切屈服應力，但未研究沸石介質的含量對電流變特性的影響。

本研究將電流變技術應用到偏二甲肼中，利用電流變測試系統對制備的偏二甲肼懸濁液電流變特性進行實驗研究，分析介質質量分數、電場強度和偏二甲肼含量等因素對UDMH懸濁液電流變特性的影響規律，以期為電流變技術應用到液體火箭推進劑的儲存和運輸奠定基礎。

2 電流變特性實驗裝置原理及組成

2.1 實驗原理

利用電流變液在高壓電場下表觀粘度大幅提升的基本特征，測試偏二甲肼懸濁液的質量流率變化，從而表征懸濁液的電流變特性。

測試原理參考運動粘度測試方法[11-12]，由于重力和液體層間內摩擦力的相互作用，流體在一定速度下將受力平衡做勻速運動。同時電極板通道截面為長寬比很大的矩形，所以將矩形通道近似看作兩平行板通道。根據以上假設分析可以把電極通道內懸濁液流動過程轉化為兩平行板間勻速流動模型。其受力分析如圖1所示。

圖1 電極通道內懸濁液受力分析

Fig.1 The force analysis of suspension in electrode channel

按圖1所示，在電極板通道內，單位面積的懸濁液受重力作用在上下液面間產生一個壓力差p，在通道截面積A內形成驅動力F，使懸濁液向下加速運動。根據牛頓粘滯定律，粘性流體作層流運動時，各層流動的速度不同，相鄰兩層之間存在內摩擦力f，隨著速度增加內摩擦力f也不斷增加。最終在一定速度v下，懸濁液會達到受力平衡，即內摩擦力f與驅動力F相等，懸濁液以速度v勻速向下運動。

以兩極板中間面為基準面，前后各取δ厚的流體層，根據牛頓粘滯定律，該流體層前后兩面受到內摩擦力f為[13]:

(1)

在速度v下，流體達到受力平衡，內摩擦力f與驅動力F相等。由此得到平衡方程:

(2)

式中，p為極板上下面壓差，Pa;g為重力加速度，m·s-2;ρ為液體密度，kg·m-3。

(3)

從式(2)中可以看出兩板間流體的速度分布，那么流經通道的質量流率Q為:

(4)

得到:

(5)

式(4)中裝置參數L、h、d和液體密度ρ保持不變，因此粘度η與質量流率Q呈反比。所以，可用質量流率Q代替表觀粘度表征懸濁液電流變特性。

2.2 實驗裝置

根據偏二甲肼特性設計電流變測試裝置，主要包括三個模塊: 電流變效應模塊、質量實時測試模塊和真空實驗艙。電流變效應模塊的作用是產生電場和提供粘度測試的通道; 質量實時測試模塊的作用是測量偏二甲肼各時刻的流出質量，通過對比無電場和有電場下流出質量曲線來表征懸濁液電流變特性; 真空實驗艙的作用是隔絕測試過程中偏二甲肼與空氣和人的接觸，提高實驗安全性。根據設計方案，搭建出偏二甲肼懸濁液電流變效應測試系統，結構示意圖如圖2a所示，實驗裝置如圖2b所示。

a. structure diagram

b. scene photography

圖2 偏二甲肼電流變特性實驗測試系統

Fig.2 Experimental test system of UDMH electrorheological characteristics

2.3 實驗系統可靠性測試

采用圖2裝置測試藻酸-液體石蠟懸濁液在電場強度分別為0，1，2 kV·mm-1時的電流變特性，每種電壓均測試兩次。實驗中，分別選擇在測試開始后260 s關閉1 kV·mm-1測試電場，550 s左右關閉2 kV·mm-1測試電場，測試液的流出質量曲線如圖3所示。圖3中，橫坐標為時間t，縱坐標為懸濁液流入玻璃皿內的總質量M，其中質量曲線的斜率即為懸濁液流出的質量流率Q。

圖3 藻酸-石蠟油懸濁液流出質量曲線

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

從圖3可以看出，相同電場強度所測流出質量曲線斜率一致，說明質量流率Q相同，證明該電流變測試系統具有很好的重復性; 不同電場強度所測質量流出曲線存在巨大差異且電場強度越高其質量流率越小，此與Winslow[8]發現電場強度對電流變特性影響規律相同，說明所研制的電流變測試系統能有效的測試出電流變特性。

3 偏二甲肼懸濁液電流變特性測試

偏二甲肼存在絕緣性弱的特性，不利于實現電流變效應。針對偏二甲肼的這一特性，采用混合絕緣油的方法，將絕緣液體石蠟與偏二甲肼混合作為基液，并以藻酸作為介質，配置出偏二甲肼懸濁液，研究藻酸介質質量分數、電場強度和偏二甲肼含量對偏二甲肼懸濁液電流變效應的影響規律。

3.1 藻酸介質含量和電場強度對電流變特性影響

配制4種偏二甲肼懸濁液，其中只改變藻酸介質和液體石蠟的質量分數，確保偏二甲肼含量不變，具體配方如表1所示。

表1 偏二甲肼懸濁液配比

Table 1 Formulation of UDMH suspension

%

電流變測試中，4種偏二甲肼懸濁液在電場強度分別為0，1,2 kV·mm-1的實驗結果，如圖4所示。

a. 0 kV·mm-1

b. 1 kV·mm-1

c. 2 kV·mm-1

圖4 不同電場下的偏二甲肼懸濁液流出質量曲線

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

從圖4可以看出，提升藻酸介質質量分數能降低各電場下偏二甲肼懸濁液的質量流率，但質量流率的變化幅度不斷減少。由于電流變特性的主要衡量標準是電場作用下力學性能的變化量，綜合藻酸介質質量分數在各電場下質量流率的影響規律得到，當藻酸介質質量分數較低時(介質含量小于30%)，在高電場強度下質量流率的變化量大于低電場下的變化量，提升介質質量分數可以增加懸濁液電流變特性; 但當介質質量分數過高時(介質含量大于30%)，則與之相反。實驗發現藻酸介質質量分數為30%時，5%偏二甲肼含量的懸濁液電流變特性綜合性能最佳。

3.2 偏二甲肼含量對懸濁液電流變特性影響

由于偏二甲肼存在弱絕緣性，偏二甲肼含量對懸濁液絕緣性影響較大。在一定電場下，偏二甲肼含量較高的懸濁液會產生較大的電流，造成電源無法運行，甚至會發生反應生成氣體。當偏二甲肼含量超過15%時，懸濁液在一定電場下都會發生反應產生氣泡，圖5為30%偏二甲肼含量的懸濁液在電場強度2 kV·mm-1的反應圖。

圖5 電場下偏二甲肼懸濁液反應圖

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

為了保證實驗正常進行，將電流密度為200 μA·cm-2時的電場強度作為電流變測試場強。由于不同偏二甲肼含量的懸濁液電阻不同，因而在相同電流密度的情況下，施加的電壓強度有所不同。表2為含量20%的藻酸與不同含量液體石蠟和UDMH的懸濁液配比和實驗參數。

表2 偏二甲肼含量不同的懸濁液配比和實驗參數

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

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

圖6a為偏二甲肼懸濁液零電場下的流出質量曲線，可以看出偏二甲肼含量變化對懸濁液零電場質量流率影響較小，無電場時懸濁液質量流率主要由絕緣油粘度和介質質量分數決定。圖6b為偏二甲肼懸濁液在有電場下的流出質量曲線，可以看出偏二甲肼質量分數為5%、10%、15%的懸濁液存在明顯的電流變效應，而20%、25%、30%懸濁液不存在電流變效應。這是由于偏二甲肼含量較高，降低了懸濁液的絕緣性，使可以施加的電場強度過低，無法達到電流變效應臨界電場強度。因此，提升高含量偏二甲肼懸濁液的絕緣性對實現其電流變效應尤為重要。

a. no electric field

b. electric field (1 kV·mm-1)

圖6 有無電場下不同偏二甲肼含量的懸濁液流出質量曲線

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

3.3 15%偏二甲肼懸濁液電流變特性實驗

根據實驗，發現偏二甲肼含量低于15%時可以實現電流變效應，因此進一步研究偏二甲肼含量為15%的懸濁液中藻酸介質含量對其電流變效應的影響。表3為偏二甲肼含量15%的懸濁液配比表。

表3 偏二甲肼含量15%的懸濁液配方

Table 3 Formulation of suspensions of UDMH content as 15%

%

電流變測試中，6種不同藻酸含量的偏二甲肼懸濁液在電場強度1 kV·mm-1下的實驗結果，如圖7所示。

圖7 不同藻酸含量的懸濁液流出質量曲線

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

由圖7可知，6種懸濁液的質量流率隨藻酸介質含量的增大而減小，可見在一定范圍內隨著藻酸含量的提高懸濁液的粘度不斷增加。但藻酸含量為20%和25%的電流變液其流出速率基本一致，說明偏二甲肼含量為15%的懸濁液在藻酸含量超過20%后，再增加藻酸介質含量對懸濁液的電流變特性影響不明顯。同時，藻酸含量為0%的懸濁液并未發生電流變效應，可見15%偏二甲肼含量的懸濁液添加藻酸介質是非常必要的，最佳藻酸含量為20%。

4 總 結

(1) 偏二甲肼的弱絕緣性不利于實現電流變效應，提升偏二甲肼基液絕緣性是配制出高含量偏二甲肼電流變液的關鍵，而采用混合懸濁液的方法大幅提升了基液的絕緣特性，實現了偏二甲肼懸濁液電流變效應。

(2) 無電場下和有電場下，偏二甲肼懸濁液質量流率均隨藻酸介質質量分數的增加而減小，但在電場下由于電流變效應，懸濁液質量流量會隨藻酸介質質量分數的增加趨于穩定。

(3) 偏二甲肼含量超過15%的懸濁液在一定電場下會產生較大電流，并產生氣泡，但其含量小于15%的懸濁液都可實現電流變效應。

參考文獻:

[1]張有智, 李正莉, 王煊軍. 偏二甲肼制備低熔點胺基酞亞胺的實驗研究[J]. 含能材料, 2009, 17(4): 478-481.ZHANG You-zhi, LI Zheng-li, WANG Xuan-jun. Preparation of low meltingpoints aminimide from unsymmetrical dimethydrzine[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 2009, 17(4): 478-481.

[2]徐澤龍, 張立清, 趙冰, 等. 過氧化氫增強紫外—臭氧降解偏二甲阱[J]. 含能材料, 2016, 24(12): 1168-1172.XU Ze-long, ZHANG Li-qing, ZHAO Bing, et al. Degradation of unsymmetrial dimethylhydrazine waste water by hydrogen peroxide enhanced UV-Ozone process[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 2016, 24(12): 1168-1172.

[3]王力, 張光友, 譚世語, 等. 偏二甲肼污水的處理技術現狀與發展趨勢[J]. 導彈與航天運載技術, 2006, 281(1): 38-43.WANG Li, ZHANG Guang-you, TAN Shi-yu, et al.Development and status of treatment processes of wastewater containing unsymmetrical dimethylhydrazine[J].MissileandSpaceVehcile, 2006, 281(1): 38-43.

[4]范俊芳. TG1型偏二甲肼鐵路罐車的研制[J]. 鐵道車輛, 2015, 53(1): 14-16.FAN Jun-fang. The development of TG1type UDHM railway tanker[J].RollingStock, 2015, 53(1): 14-16.

[5]張志宇, 吳博達. 電流變技術的發展與應用[J]. 機床與液壓, 2007, 35(6): 203-207.ZHANG Zhi-yu, WU Bo-da. Development and Application of Electrorheological technology[J].MachineToolHydraulics, 2007, 35(6): 203-207.

[6]陳愛軍, 廖昌榮, 余淼. 電磁流變液流變特性測試技術的研究進展[J]. 機械工程材料, 2005, 29(1): 1-3.CHEN Ai-jun, LIAO Chang-rong, YU Miao.Developments of research in rheological property measurements of electrorheological or magnetorheological fluids[J].MaterialsforMechanicalEngineering, 2005, 29(1): 1-3.

[7]尹劍波. 稀土摻雜對二氧化鈦和鈦酸鋇電流變行為的影響[D]. 西安: 西北工業大學, 2001.YIN Jian-bo. Effect of rare earth doping on the electrorheological behavior of titanium dioxide and barium titanate[D]. Xi′an: Northwestern Polytechnical University, 2001.

[8]Winslow W M. Induced fibration of suspensions[J].JournalofAppliedPhysics, 1949, 20(12): 1137-1140.

[9]Hao Tian. The role of the dielectric loss of dispersed material in the electrorheological effect [J].AppliedPhysicsLetters, 1997, 70(15): 1956-1958.

[10]茅海榮, 孟永鋼, 田煜. 電流變液抗壓效應的實驗研究[J]. 清華大學學報(自然科學版), 2002, 42(11): 1441-1443.MAO Hai-rong, MENG Yong-gang, TIAN Yu. Compression resistance of electrorheological fluid[J].JournalofTsinghuaUniversity(ScienceandTechnology), 2002, 42(11): 1441-1443.

[11]Davis L C. Polarization forces and conductivity effects in electrorheological fluids [J].JournalofAppliedPhysics, 1992, 72(4): 1334-1340.

[12]Mocellini R R, Lambri O A, Bonifacich F G, et al. Electro-rheological description of solids dielectrics exhibiting electrostriction[J].IEEETransactionsonDielectrics&ElectricalInsulation, 2016, 23(5): 2993-3006.

[13]林建忠, 阮曉東, 陳邦國, 等. 流體力學[M]. 北京: 清華大學出版社，2005: 7-9.LIN Jian-zhong, RUAN Xiao-dong, CHEN Bang-guo, et al. Fluid Mechanics[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2005: 7-9.