剪切增稠材料的力學性能表征及機理研究.pdf

1、剪切增稠液(STF)是一種將納米或微米級的顆粒分散到牛頓流體中而形成的非均質(zhì)顆粒懸浮液。通常在剪切條件下，其粘度隨著剪切速率的增大而增大。這種懸浮體系在低擾動下表現(xiàn)為流體狀態(tài)，當突然施加作用力時變得異常粘稠甚至展現(xiàn)出類固體狀態(tài)，當撤去外部力作用時重新恢復到流體狀態(tài)。由于STF的力學性能高度非線性使其具有優(yōu)異的能量吸收能力，從而在振動控制、抗沖擊、人體防護等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。過去幾十年間，在STF的力學性能表征和機理解釋等方面，已經(jīng)

2、取得了一大批研究成果。但是，仍有許多工作亟待解決。對剪切現(xiàn)象更加深入的了解，進而合理有效地解決工程實際問題，正是本文所追求的目標。為此，本文首先對STF低速小載荷下的流變性能進行了表征;接著對STF高速大載荷下的沖擊力學性能進行了表征;然后，通過研究剪切在STF流場狀態(tài)轉(zhuǎn)換中的作用，提出了一種新的更加合理的解釋剪切增稠現(xiàn)象的模型-顆粒松弛模型;最后，針對STF應(yīng)用中的不穩(wěn)定性和不易封裝，研究了一種性能穩(wěn)定優(yōu)異的易于工程應(yīng)用的剪切增稠膠材

3、料。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、挪捎冒矕|帕MCR301流變儀，表征了STF低速小載荷下的流變性能，發(fā)現(xiàn)了STF流變性能的剪切加速度效應(yīng)，表征了STF的擠壓流變性能，表征了非連續(xù)性剪切增稠(DST)懸浮液完整的力學性能，為STF相關(guān)器械的設(shè)計，提供了實驗依據(jù)。首先研究了STF流變性能的剪切加速度效應(yīng)。結(jié)果表明隨著剪切加速度的增大，臨界剪切速率變大，粘度-剪切速率曲線的斜率變小。這是由于剪切加速度越大，粒子的慣性效應(yīng)越明顯，引起了上述

4、STF流變性能的滯后現(xiàn)象。緊接著研究了STF的擠壓流變性能，結(jié)果表明當達到臨界擠壓速度時，體系發(fā)生流-固轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。臨界擠壓速度隨著板間距的增大而增大，隨著體系體積分數(shù)的增大而減小。擠壓堵塞的發(fā)生由擠壓速率控制，并且擠壓速率越大形成得力鏈規(guī)模越大越穩(wěn)定，產(chǎn)生的法向力越大。最后將流變儀的信號運用高頻率采集卡進行采集和分析，初步表征了DST懸浮液的力學行為。結(jié)果表明在剪切條件下DST懸浮液所受扭矩不是單調(diào)上升的，而是以S型形狀上升，扭矩和法向

5、力的起始增長時間點和最大值相應(yīng)對應(yīng)的時間點不一致。
　?、撇捎酶倪M的SHPB測試系統(tǒng)開展了STF高速強載荷下的沖擊力學性能，發(fā)現(xiàn)了STF在沖擊載荷下的流-固轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，應(yīng)變率效應(yīng)和能量耗散現(xiàn)象，為基于STF設(shè)計的防護應(yīng)用，提供了實驗依據(jù)。首先研究了沖擊條件下，STF的擠壓力學性能，結(jié)果表明在受到?jīng)_擊時，STF由液體變?yōu)楣腆w。并且隨著沖擊強度的增大，STF出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是顆粒之間形成永久的聚集。接著研究了STF的側(cè)限

6、壓縮力學性能，結(jié)果表明體積模量隨著應(yīng)變率的增大而增大。這種STF體積模量的應(yīng)變率效應(yīng)是由內(nèi)部顆粒形成力鏈結(jié)構(gòu)導致。最后，運用改裝的SHPB，通過對比參照波的波形，證實了STF在沖擊過程中能量吸收現(xiàn)象。
　　⑶引入剪切因素，提出了一種解釋增稠現(xiàn)象的模型-顆粒松弛模型，完善了接觸模型，解釋了DST懸浮液產(chǎn)生固體-液體-固體轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的原因。首先分析了在剪切條件下懸浮液顆粒之間的接觸模式，由低剪切速率下的水動力狀態(tài)（顆粒之間分離）到高剪切

7、速率下的邊界潤滑狀態(tài)（顆粒之間接觸）。當顆粒處于邊界潤滑狀態(tài)時，懸浮液的力學行為與干顆粒流的力學行為相似。通過研究玉米淀粉-水懸浮液在不同剪切應(yīng)力下的流變行為，得到了DST的發(fā)生機制是由于外部剪切場激活了顆粒重排的時間特性，即內(nèi)部顆粒的調(diào)整過程跟不上外界的載荷時間。這個模型解釋了DST懸浮液具有兩種堵塞密度的原因，解釋了體系發(fā)生固體-液體-固體轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的原因。最后給出了在剪切應(yīng)力τ-體積分數(shù)φ坐標下的相變圖，為研究顆粒懸浮液的物理機制提

8、供了實驗依據(jù)。
　　⑷針對STF應(yīng)用中的不穩(wěn)定性和不易封裝，研究了一種性能穩(wěn)定優(yōu)異的剪切增稠膠材料，評估了抗沖擊性能，表征了力學性能，分析了硬化機理，為這種新型智能材料的機理解釋及工程實際應(yīng)用提供了力學性能依據(jù)。首先介紹了一種性能穩(wěn)定，力學性能應(yīng)變率敏感的剪切增稠膠(STG)的制備過程。通過落錘實驗，評估了其防護性能，并發(fā)現(xiàn)這種防護性能由吸收能量和抵抗變形能力實現(xiàn)。表征了STG從低應(yīng)變率到高應(yīng)變率下的力學性能，結(jié)果表明STG從低應(yīng)