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1、第25卷第1期物理实验Vol.25No.12005年1月PHYSICSEXPERIMENTATIONJan.,2005不同条件下颗粒物质的粘弹性响应1,21胡林,周鲁卫(1.复旦大学应用表面物理国家重点实验室,上海200433;2.贵州大学物理学系光电子技术与应用贵州省重点实验室,贵州贵阳550025)摘要:研制了能承受100MPa压强的测量装置,并用该装置对加压下制备的紧密沙堆进行粘弹性响应测量,得到球形镍颗粒沙堆在周期性竖直振荡下储能模量G与压强
2、p的关系.实验结果表明,反映沙堆整体弹性特征的储能模量G与压强p的关系为G~p0.45;不同形状颗粒体系的粘弹性响应行为不同.关键词:颗粒物质;粘弹性;压强中图分类号:O345文献标识码:A文章编号:10054642(2005)01001304了解各种形式沙堆内部结构形成的机理、力网分1引言布规律、沙堆力网的强度与哪些因素有关,等等,自然界中广泛存在着象沙石、土壤、浮冰、煤这些问题都有待大量的实验来回答.炭、谷粒等大量固体颗粒聚集在一起的颗粒组态在对文献调研和前期实验结果的基础上
3、,我物质.诺贝尔奖得主DeGennes称它们为Gran们认为:沙堆内部的力网结构说明颗粒间有能量[1~8]ularmaterial(颗粒物质).近年来,人们之所的积聚,尤其是容器中的紧密沙堆,沙堆整体所具以对古老的颗粒物质发生极大兴趣,不仅是因为有的能量除了重力和颗粒之间相互挤压作用贡献它具有一些不同于传统固、气、液三态的奇特性以外,外界施加给沙堆的压强p是使紧密沙堆具质,更主要的是该体系中所反映的非线性问题具有类固体弹性特征的主要来源.根据功能原理,有广泛意义,至今尚无完善的理论来描述.通常,当容器中
4、沙堆受到外界压力时,外力做功将机械倾倒在地面的大量沙粒可承受一定的压力保持一能转换为沙堆内部的接触能,颗粒自组排列后将定倾角堆积在地面.对于这种现象J.P.Wittmer能量储存在结构中,因此,表征材料固体特征的体[3]等人认为是由沙堆内部的物质小单元堆积形成积弹性模量K与压强p有密切关系.由于颗粒[4]某种结构所致;L.Vanel等发现用不同方法制体系不像固体有确定的外形,测量它的体积弹性备的各种沙堆内部应力分布各异;FarhangRad模量只能借助测量流体粘弹性的方法.根据粘弹[5][9]jai根据
5、接触动力学原理,模拟了沙堆在外界压性理论和实验知识,应用傅里叶变换后的应力*力作用下内部力链形成的过程,他们认为颗粒沿应变本构关系式:()=G(i)(),可直接测*外力方向排列成链,在挤压过程中颗粒体系变为量复模量G(i)的实部G()和虚部G∀().实[6,7]各向异性;有些人视沙堆整体为可变形固体,部G()是表征材料弹性的特征量,称为储能模用准弹性!模型描述沙堆,一种观点认为,沙堆体量(相当于固体的体积弹性模量),虚部G∀()称1/2积弹性模量K与压强p的关系为K~p规为损耗模量,
6、反应材料的粘滞性.[8]2/3律;另一种意见却认为,应该服从K~p规2实验装置律.客观实验表明,沙堆能够承受一定的正压力和表面剪切力;容器内的沙堆将一部份重力分散为测量加压颗粒体系的粘弹性响应,设计了在器壁上(粮仓效应);光弹性实验展现出外力作能承受100MPa压强的圆柱形样品室,如图1所用下,颗粒体系内部明显的网状应力分布,沙堆的示.样品室用材为不锈钢,底部留一圆孔,圆盘状力网结构已为众人所认同.物理学研究人员渴望下保压底板的一端从圆孔穿出,待测沙砾置于上、收稿日期:20040613;修改日期:
7、20040825基金项目:国家自然科学基金(No.10374021),贵州省组织部高科技人才基金和贵州省科委(No.20043016)资助项目作者简介:胡林(1953-),女,贵州贵阳人,贵州大学物理系教授,博士生导师,从事软物质方面研究.14物理实验第25卷-530Hz,应变幅值=10时,得到储能模量G与压强p的关系见图2.将实验结果进行拟合得到bG与p的关系为G=ap,式中a=20.86,b=0.45,即G随p增加呈幂次规律变化.分析实验结果我们认为,经过加压
8、的沙堆在脱离保压状态后,内部的压强会损失一部分,p值存在负误差.如果压强p有10%的负误差(数据误差线所示),曲线拟合后a=21.86,b值的误差出现在小数点后第3位(b=0.4469),因此b仍为0.45,即实验1/2曲线与准弹性!模型的K~p规律接近.图1样品室及检测装置图下保压板之间,保压板边缘与样品室内壁有1mm间隙,振动时,信号主要施加在沙堆上.用粉末压片机对样品室中的沙砾加压,为防止下保压板漏沙砾,保压板的下面垫
