[發明專利]一種纖維沉降特性的實驗裝置及其實驗方法

在審

• 申請號: 201711330604.2
• 申請日: 2017-12-13
• 公開（公告）號: CN108303419A
• 公開（公告）日: 2018-07-20
• 發明（設計）人: 林江;樓建勇;樓心月;江磊;陳麗華;胡志軍
• 申請（專利權）人: 浙江科技學院
• 主分類號: G01N21/84
• 分類號: G01N21/84
• 代理公司: 杭州凱知專利代理事務所(普通合伙) 33267
• 代理人: 張亮

本發明公開了一種纖維沉降特性的實驗裝置及其實驗方法，裝置包括實驗平臺，實驗平臺上放置有水槽，水槽內放置有用于對水槽內部的水產生持續穩定擾動的擾動裝置，水槽由透光性為92%以上的有機玻璃加工而成，水槽的一側依次設有打光器和高速攝像系統，高速攝像系統由攝影機、控制器顯示裝置和輔助照明燈組成。方法包括以下步驟：選取碳含量為95%以上的碳纖維；使用重垂線對測試段進行校準，保準水槽豎直；向水槽中加入純凈水，啟動擾動裝置并使其保持穩定轉速；用鑷子一次性投入30?40個碳纖維至擾動裝置下方2cm的位置；通過高速攝像系統記錄水面高度為100mm處碳纖維的纖維形態變化，拍攝碳纖維在0s、3s、6s、9s、12s時纖維的運動軌跡。

技術領域

本發明涉及碳纖維懸浮流實驗領域，具體涉及一種纖維沉降特性的實驗裝置及其實驗方法。

背景技術

纖維懸浮流中存在一些包含在液或氣中的固態纖維，與研究非牛頓理論以及多相流緊密相關，因此，對纖維懸浮流的研究很有用。此外，纖維懸浮流得到了廣泛的應用。復合材料是材料科學中的非常重要一環，其中短纖維材料又是復合材料的核心，而加工和成型短纖維復合材料需要涉及到纖維懸浮流的相關理論，尤其是動力學，加工時纖維取向是由流動誘導的，影響到成品的質量。

現代電子設備基本都帶有電磁屏蔽材料，電磁屏蔽材料的主要成分是碳纖維。而碳纖維在電磁屏蔽材料的表面分布越均勻，越整齊一致材料的性能則越好。因此研究研究碳纖維在沉降的過程中的干擾因素對制造高性能的電磁屏蔽材料有著重要的指導意義。

邵雪明^[1]以長寬比和初始取向為變量，使用了拉格朗日法對方形粒子在二維垂直通道中進行數值模擬，研究其沉降特性。Advani與Tuckerl^[2]通過使用一組偶數階取向張量表示纖維的取向分布函數，進而有助于預測纖維的取向。主要有兩種方法解答纖維取向：（1）對Fokker.Planck方程進行直接求解；（2）采用封閉近似的方法去除了高階取向張量的不封閉，從而得到每階的取向張量。第二種方法主要用在懸浮流計算過程中。然而大家對這種方法的準確性有一定的異議，尤其是處理復雜流動問題時。Lipscombl^[3]等求解了軸對稱的收縮管道內的纖維懸浮流，在實驗中發現纖維對流場的結構產生了影響。王葉龍^[4]使用Boltzmann法進行模擬得到了粒子沉降時的平均速度、取向分布并得出了粒子最終趨向于水平分布的結論。 Lin^[5]等通過數值模擬得到了楔形體內的纖維懸浮流場，發現如下規律：纖維最終聚集在流線方向上當時間步長增加后。

由于研究纖維懸浮流對實驗儀器精度要求較高所以以往的學者們更加的傾向于數值模擬計算，關于纖維懸浮流的實驗寥寥無幾，固亟需一套完整的實驗方案對纖維沉降過程中的影響因素進行研究。

參考文獻如下：

[1]邵雪明，張征宇，方形粒子沉降特性研究[D].浙江大學學報，2005

[2]Advani S G,Tucker C L,The Use of Tensor to Describe and Predict FiberOrientation in Short Fiber Composites[J],J Rheol,1997，25(3):111-118.

[3]Lipscomb G G,Denn M M,The Flow of Fiber Orientation in ComplexGeometries[J],J Non-Nwtonina Fluid Mech,2001， 38(3):17-22.

[4]王葉龍，林建忠，柱狀粒子間相互作用對沉降運動的影響[J]，自然科學進展，2004，51(2):27-31.