液體力學譜中復楊氏模量的測量方法
2023-06-16 22:02:11
專利名稱：液體力學譜中復楊氏模量的測量方法
技術領域：
本發明屬於物理領域，涉及一種物理參數的測量方法，具體地說是一種液體力學譜中復楊氏模量的測量方法。
背景技術：
力學譜，也就是指復模量對於溫度和頻率的變化關係。這裡的復模量一般包括復剪切模量和復楊氏模量。對於復剪切模量，通常使用低頻扭擺實驗方法來測量，頻率範圍一般在0.1-10赫茲；對於復楊氏模量，通常使用音頻單端或雙端簧振動實驗方法，採用不同節點數的振動模式來測量，音頻頻率範圍在0.1-20千赫。還有就是兆赫頻率的超聲衰減和聲速實驗方法。上述三類不同頻段的力學譜測量在固體材料中的應用已經十分成熟。
由於液體沒有固定的幾何形狀，固體中的低頻扭擺實驗方法和音頻單端或雙端簧振動實驗方法不能直接應用到液體力學譜的研究中。對於液體音頻範圍的力學譜測量，一直是一個難題。目前，只有兆赫頻率的超聲衰減和聲速實驗方法被應用到液體的力學譜研究中。因而，國內外還沒有一個成熟的測量液體音頻範圍力學譜的實驗方法。
發明內容
本發明的目的是提供一種操作簡單的液體力學譜中復楊氏模量的測量方法。運用該測量方法測量液體的力學譜中音頻範圍的復楊氏模量，測量結果準確，取得了十分滿意的效果。
本發明的目的是通過以下技術方案來實現的一種液體力學譜中復楊氏模量的測量方法，其特徵在於它包括如下步驟A)選擇合適襯底，使待測液體能夠浸潤於襯底表面；通常一個標準襯底的尺寸規格大約是40×4×0.4mm3。襯底材料的選擇，需要考慮待測液體的性質，要求液體能夠浸潤於襯底表面，如，測液體是甘油，可選擇石英玻璃襯底。
B)測量襯底的力學譜，得到變溫過程中襯底的內耗和共振頻率，進而得到襯底的楊氏模量；測量時，採用雙端兩節點共振簧方法測量襯底的力學譜，得到變溫過程中襯底的內耗Qs-1、共振頻率f1，進而得到楊氏模量Ys；Ys=sabI1(l4.73)41,]]>式中ρs為襯底的密度、l1為轉動慣量、ω1為角頻率，其中I1=112a3b,]]>l、b、a分別為襯底的長度、寬度和厚度，ω1＝2πf1。
C)將待測液體塗在襯底表面組成複合物，測量複合物的力學譜，得到變溫過程中複合物的內耗和共振頻率；同樣，測量時採用雙端兩節點共振簧方法，測量複合物變溫過程中的內耗Qtotal-1和共振頻率f2，對應角頻率ω2＝2πf2。
D)通過計算得到液體力學譜中的復楊氏模量；計算公式如下液體復楊氏模量表示為Y＝Y′+iY″，其中Y′和Y″分別為復楊氏模量的實部和虛部，並由下式確定Y=YsI1I2d(k12-1+k)4(1+d.cs.a)-I2sI1]]>Y=(2+k)YI2d+2YsI2s2kYsI2s.YI2d+YsI2sI2d(Qtotal-1-Qs-1)+YQs-1]]>式中，ρd為液體的密度，比例係數k＝m/l，m為液體所佔的長度，轉動慣量I2s=13(a-y0)3+y03b,]]>I2d=13(a+c-y0)3-(a-y0)3b,]]>其中，中間參量y0=a2(1+caYYs),]]>通常可近似為y0=a2]]>本發明在測量液體力學譜中的復楊氏模量時，首先測量特定襯底的力學譜，然後測量液體與襯底組成的複合物的力學譜，最後通過公式計算得到液體力學譜中的復楊氏模量。本發明解決了測量液體音頻範圍力學譜中復楊氏模量的難題，使得液體力學譜的測量十分方便，易行，並且測量結果準確。本發明所述的測量方法用來測量甘油、碳酸丙二醇等力學譜，測量結果十分理想。
四
圖1是本發明所用測量裝置結構示意圖；圖2是圖1中樣品裝置部分示意圖。
圖3是歸一化的甘油力學譜圖；圖4是歸一化的碳酸丙二醇力學譜圖。
五具體實施例方式
實施例1一種本發明所述的液體力學譜中復楊氏模量的測量方法，待測液體為甘油，它包括如下步驟A)選擇石英玻璃作為襯底，使甘油能夠浸潤於石英玻璃表面；襯底的尺寸規格大約是40×4×0.4mm3。
B)測量石英玻璃襯底的力學譜，這裡的力學譜是指復楊氏模量隨溫度的變化關係。測量時，測量裝置結構見圖1，樣品裝置結構見圖2，採用雙端兩節點共振簧方法測量襯底的力學譜，得到變溫過程中襯底的內耗Qs-1、共振頻率f1，進而得到楊氏模量Ys；Ys=sabI1(l4.73)41,]]>式中ρs為襯底的密度、l1為轉動慣量、ω1為角頻率，其中I1=112a3b,]]>l、b、a分別為襯底的長度、寬度和厚度，ω1＝2πf1。
C)將甘油塗在石英玻璃表面組成複合物，測量複合物的力學譜，得到變溫過程中複合物的內耗和共振頻率；同樣，測量時採用雙端兩節點共振簧方法，測量複合物變溫過程中複合物的內耗Qtotal-1和共振頻率f2，對應角頻率ω2＝2πf2。
D)通過計算得到甘油力學譜中的復楊氏模量；計算公式如下甘油復楊氏模量表示為Y＝Y′+iY″，其中Y′和Y″分別為復楊氏模量的實部和虛部，並由下式確定Y=YsI1I2d(k1/2-1+k)4(1+d.cs.a)-I2sI1]]]>Y=(2+k)YI2d+2YsI2s2kYsI2s.YI2d+YsI2sI2d(Qtotal-1-Qs-1)+YQs-1]]>式中，ρd為甘油的密度，比例係數k＝m/l，m為甘油所佔的長度，轉動慣量I2s=13(a-Y0)3+Y03b,]]>I2d=13(a+c-y0)3-(a-y0)3b,]]>
其中，中間參量y0=a2(1+caYYs),]]>通常可近似為y0=a2.]]>將實驗結果繪成圖，得到圖3，圖3是歸一化的甘油力學譜，由圖中可知甘油的復楊氏模量。圖中，橫坐標為溫度，縱坐標分別為歸一化的甘油復楊氏模量的實部和虛部，溫度低於185K，為玻璃態，高於185K以上，為液態。
實施例2一種本發明所述的液體力學譜中復楊氏模量的測量方法，待測液體為碳酸丙二醇。測量步驟同實施例1，選用石英玻璃作為襯底，將實驗結果繪成圖，得到圖4，圖4是歸一化的碳酸丙二醇力學譜，由圖中可知碳酸丙二醇的復楊氏模量。圖中，橫坐標為溫度，縱坐標分別為歸一化的碳酸丙二醇復楊氏模量的實部和虛部，溫度低於159K，為玻璃態，高於159K以上，為液態。
權利要求
1.一種液體力學譜中復楊氏模量的測量方法，其特徵在於它包括如下步驟A)選擇合適襯底，使待測液體能夠浸潤於襯底表面；B)測量襯底的力學譜，即通過測量變溫過程中襯底的內耗和共振頻率，進而得到襯底的楊氏模量；C)將待測液體塗在襯底表面組成複合物，測量複合物的力學譜，即變溫過程中複合物的內耗和共振頻率；D)通過計算得到液體變溫過程中的力學譜，即復楊氏模量。
2.根據權利要求1所述的液體力學譜中復楊氏模量的測量方法，其特徵在於步驟A)中，選擇與液體有很好浸潤的襯底材料。
3.根據權利要求1所述的液體力學譜中復楊氏模量的測量方法，其特徵在於步驟B)中，採用振動簧方法測量襯底的力學譜，得到變溫過程中襯底的內耗Qs-1、共振頻率f1，進而得到楊氏模量Ys；Ys=sabI1(l4.73)41,]]>式中ρs為襯底的密度、I1為轉動慣量、ω1為角頻率，其中I1=112a3b,]]>l、b、a分別為襯底的長度、寬度和厚度，ω1＝2πf1。
4.根據權利要求1所述的液體力學譜中復楊氏模量的測量方法，其特徵在於步驟C)中，採用振動簧方法，測量變溫過程中複合物的內耗Qtotal-1和共振頻率f2，對應角頻率ω2＝2πf2。
5.根據權利要求1所述的液體力學譜中復楊氏模量的測量方法，其特徵在於步驟D)中，液體復楊氏模量表示為Y＝Y′+iY″，其中Y′和Y″分別為復楊氏模量的實部和虛部，並由下式確定Y=YsI1I2d[(k1/2-1+k)4(1+dcsa)-I2sI1]]]>Y=(2+k)YI2d+2YsI2s2kYsI2sYI2d+YsI2sI2s(Qtotal-1-Qs-1)+YQs-1]]>式中，ρd為液體的密度，比例係數k＝m/l，m為液體所佔的長度，轉動慣量I2=13[(a-y0)3+y03]b,I2d=13[(a+c-y0)3-(a-y0)3]b,]]>其中，中間參量y0=a2(1+caYYs),]]>通常可近似為y0=a2.]]>
全文摘要
本發明公開了一種操作簡單的液體力學譜中復楊氏模量的測量方法，它首先測量特定襯底的力學譜，得到變溫過程中襯底的楊氏模量，然後測量液體與襯底組成的複合物的力學譜，得到變溫過程中複合物的內耗和共振頻率，最後通過公式計算得到液體力學譜中的復楊氏模量。本發明解決了液體音頻範圍的力學譜測量難題，用來測量液體力學譜中音頻範圍的復楊氏模量，方便、易行，結果準確，在測量液體音頻範圍力學譜中具有極大的實用價值。
文檔編號G01N29/00GK1699991SQ20051004064
公開日2005年11月23日 申請日期2005年6月21日 優先權日2005年6月21日
發明者應學農, 楊震, 黃以能 申請人:南京大學