濃懸浮體表觀流變特性與局部流動(dòng)機(jī)理研究.pdf

1、懸浮體系作為“軟玻璃態(tài)物質(zhì)”（Soft Glassy Materials，SGM）中的一類(lèi)，表現(xiàn)出來(lái)的介于固體和液體之間的復(fù)雜流動(dòng)是凝聚態(tài)物理中眾多極具挑戰(zhàn)性問(wèn)題之一。雖然很多研究者都認(rèn)同復(fù)雜流體中的動(dòng)態(tài)不均勻性(dynamic heterogeneities)，但是關(guān)于它產(chǎn)生的機(jī)理與動(dòng)力學(xué)過(guò)程、是否與流動(dòng)相關(guān)以及如何關(guān)聯(lián)依然是尚未解決的問(wèn)題。其實(shí)這些問(wèn)題的背后是體系存在比較復(fù)雜的局部流動(dòng)機(jī)理和微觀結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)流變學(xué)方法能在多大程度上反映

2、這類(lèi)體系的復(fù)雜流動(dòng)以及如何反映復(fù)雜流動(dòng)背后的更小尺度上的流動(dòng)機(jī)理和微觀結(jié)構(gòu)是復(fù)雜流體流變學(xué)研究中的重點(diǎn)之一。近年來(lái)逐漸發(fā)展起來(lái)的局部測(cè)量技術(shù)無(wú)疑給復(fù)雜流體流變學(xué)研究帶來(lái)了強(qiáng)有力的幫助以及更多的關(guān)注。另外，對(duì)于描述復(fù)雜流體流動(dòng)的理論模型來(lái)說(shuō)，如何能在合理描述體系表觀流動(dòng)的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步描述體系的局部或微觀流動(dòng)以及結(jié)構(gòu)是目前理論模型發(fā)展的一個(gè)中心任務(wù)。本文以球形硬顆粒填充牛頓基體組成的濃懸浮體系為研究對(duì)象，通過(guò)傳統(tǒng)流變學(xué)方法、傅里葉變換流變

3、學(xué)(FTR)方法以及粒子追蹤測(cè)速(PTV)方法，對(duì)懸浮體在瞬態(tài)剪切流場(chǎng)和大振幅振蕩剪切(LAOS)流場(chǎng)下的表觀流變性質(zhì)和局部流動(dòng)行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了特定條件下的表觀流變性質(zhì)無(wú)法區(qū)分體系的結(jié)構(gòu)性差異，揭示了局部流動(dòng)行為在區(qū)分體系結(jié)構(gòu)性差異性方面所起的作用，明確了表觀流變性質(zhì)如何通過(guò)考慮局部流動(dòng)來(lái)反映體系的真實(shí)流動(dòng)行為，闡述了體系在局部尺度上的流動(dòng)機(jī)理以及影響因素，評(píng)判了當(dāng)前主要觸變理論模型在表觀流變以及局部流動(dòng)中的綜合預(yù)測(cè)能力。本論文主

4、要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下:
　　1.對(duì)于大顆粒填充牛頓基體組成的非膠體體系，體系結(jié)構(gòu)很大程度上取決于顆粒濃度，結(jié)構(gòu)的濃度依賴(lài)性反映在表觀流變性質(zhì)上表現(xiàn)為特征流變參量的濃度依賴(lài)性。首先利用多種表觀流動(dòng)方法考察了表觀流動(dòng)區(qū)域的轉(zhuǎn)變、動(dòng)態(tài)平臺(tái)模量的轉(zhuǎn)變、表觀線(xiàn)性與非線(xiàn)性間的轉(zhuǎn)變以及觸變性的轉(zhuǎn)變，明確了這些轉(zhuǎn)變的濃度依賴(lài)性，以及發(fā)生從類(lèi)液態(tài)到類(lèi)固態(tài)的靜態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的臨界濃度φc=49.5±1.5％。在此臨界濃度下，經(jīng)過(guò)模型估算得到顆粒之間平均面間

5、距(d)存在臨界值(d)c，低于此臨界值(d)c時(shí)，顆粒間的平均面間距隨著濃度增大而急劇下降，顆粒間的相互作用急劇增大進(jìn)而使得體系發(fā)生向類(lèi)固態(tài)的轉(zhuǎn)變。其次，通過(guò)設(shè)計(jì)兩組不同的剪切歷史，考察短剪切歷史(SSH)和長(zhǎng)剪切歷史(LSH)對(duì)不同濃度體系表觀流變性質(zhì)的影響，研究剪切歷史是削弱還是增強(qiáng)表觀流動(dòng)性能對(duì)結(jié)構(gòu)的濃度依賴(lài)性的反映。研究結(jié)果表明，長(zhǎng)剪切歷史下表觀流動(dòng)曲線(xiàn)無(wú)法區(qū)分低濃度和高濃度體系。這意味著長(zhǎng)剪切歷史能促使?jié)舛鹊陀谂R界濃度的濃懸

6、浮體（φ＜φc）表現(xiàn)出與濃度高于臨界濃度的懸浮體（φ＞φc）一樣的表觀流變性質(zhì)，即發(fā)生了動(dòng)態(tài)液固轉(zhuǎn)變。根據(jù)對(duì)顆粒間平均間距隨濃度變化的估算，動(dòng)態(tài)液固轉(zhuǎn)變發(fā)生的根本原因在于經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間剪切后體系中參與顆粒網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的粒子數(shù)目增多，超過(guò)了臨界參與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的顆粒濃度φnetwork。
　　2.既然長(zhǎng)剪切歷史下表觀流動(dòng)曲線(xiàn)無(wú)法區(qū)分結(jié)構(gòu)的濃度依賴(lài)性，那么是否可以通過(guò)LAOS流場(chǎng)下的非線(xiàn)性來(lái)分析剪切歷史對(duì)結(jié)構(gòu)的影響呢？首先利用FTR方法對(duì)長(zhǎng)剪切歷

7、史下不同濃度體系表觀流動(dòng)非線(xiàn)性響應(yīng)進(jìn)行分析對(duì)比。研究結(jié)果表明:發(fā)生液固轉(zhuǎn)變后的低濃度體系φ＜φc的結(jié)構(gòu)與高濃度體系φ＞φc結(jié)構(gòu)存在顯著不同，這種結(jié)構(gòu)上的區(qū)別影響了體系的局部流動(dòng)行為，其中對(duì)高濃度體系φ＞φc的影響最為顯著。長(zhǎng)時(shí)間剪切后，高濃度體系由于聚集在剪切方向上拉伸區(qū)域內(nèi)的顆粒數(shù)目要高于低濃度體系，使得體系非均一化程度較高，導(dǎo)致體系在剪切增稠出現(xiàn)之前將很難從固液共存區(qū)過(guò)渡到全局流動(dòng)液體區(qū)，而是直接從固液共存區(qū)直接轉(zhuǎn)變到剪切增稠區(qū)。然

8、而對(duì)于低濃度體系，無(wú)論剪切歷史長(zhǎng)短，其流動(dòng)區(qū)域隨著應(yīng)力的增大均依次表現(xiàn)為:不流動(dòng)類(lèi)固區(qū);固液共存不均一流動(dòng)區(qū);全局均一流動(dòng)區(qū)和增稠區(qū)。
　　3.表觀流變行為的一致性并不能代表微觀結(jié)構(gòu)甚至局部流動(dòng)行為的一致性，那么如何使表觀流變性質(zhì)真實(shí)反映材料的局部流動(dòng)行為呢？通過(guò)調(diào)節(jié)懸浮體系中基體粘度大小控制體系的沉降程度，并借助于PTV方法在線(xiàn)觀測(cè)顆粒的運(yùn)動(dòng)速度及分布，來(lái)研究體系在LAOS流場(chǎng)下的局部流動(dòng)行為差別以及表觀流變與局部流動(dòng)之間的關(guān)聯(lián)

9、。研究結(jié)果表明，重力與粘性力之間的競(jìng)爭(zhēng)與平衡促使體系出現(xiàn)屈服應(yīng)力和剪切帶現(xiàn)象。在沉降明顯的體系中，表觀流動(dòng)呈現(xiàn)出明顯的固液轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)的局部流動(dòng)表現(xiàn)出顯著的剪切帶現(xiàn)象，同時(shí)伴隨壁面滑移速度的應(yīng)力依賴(lài)性在表觀流變轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)表現(xiàn)出不連續(xù)的轉(zhuǎn)變。此時(shí)體系的表觀流變性質(zhì)完全取決于低剪切區(qū)域內(nèi)的局部流變性質(zhì)，在高剪切區(qū)域內(nèi)，無(wú)固液轉(zhuǎn)變，表現(xiàn)為純粘性流動(dòng)。在沉降可忽略的體系中，表觀流動(dòng)無(wú)固液轉(zhuǎn)變，均以粘性流動(dòng)為主，對(duì)應(yīng)的局部速度分布為連續(xù)線(xiàn)性分布，

10、壁面滑移速度的應(yīng)力依賴(lài)性同樣始終保持不變。如果扣除壁面滑移因素，忽略沉降的體系其表觀流變性質(zhì)能夠反映真實(shí)的局部流變性質(zhì)。
　　4.通過(guò)控制體系的均勻性和穩(wěn)定性可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)表觀流變對(duì)局部流動(dòng)的反映，那么如何能進(jìn)一步將表觀流變與材料結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)？由于表觀流變非線(xiàn)性反映材料的結(jié)構(gòu)和壁滑信息，而局部流變非線(xiàn)性直接并只是反映材料的結(jié)構(gòu)信息，因而我們應(yīng)用FTR方法對(duì)這兩種非線(xiàn)性強(qiáng)度隨流場(chǎng)強(qiáng)度的變化進(jìn)行對(duì)比分析。研究結(jié)果表明:壁面滑移對(duì)二次

11、諧頻相對(duì)強(qiáng)度I21貢獻(xiàn)較大，而對(duì)三次諧頻相對(duì)強(qiáng)度I31無(wú)貢獻(xiàn);屈服應(yīng)力對(duì)I21貢獻(xiàn)較大。通過(guò)表觀流變得到的I31與局部流變得到的I31均表現(xiàn)出形同的應(yīng)力依賴(lài)性，這說(shuō)明表觀非線(xiàn)性中的I31同局部非線(xiàn)性中的I31一樣反映了體系的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，并且不受動(dòng)態(tài)壁面滑移的影響。
　　5.當(dāng)表觀流變無(wú)法真實(shí)反映材料局部流動(dòng)行為時(shí)，那么真實(shí)的流動(dòng)過(guò)程又是如何進(jìn)行的呢？利用PTV方法考察了懸浮體在瞬態(tài)流場(chǎng)中的局部流動(dòng)過(guò)程。研究結(jié)果表明，在不同的流場(chǎng)強(qiáng)度

12、下，剪切帶表現(xiàn)出不同的時(shí)間演化過(guò)程，并且壁面滑移在其中扮演了比較重要的角色。具體來(lái)講，當(dāng)表觀剪切速率低于臨界速率時(shí)（(γ)a＜(γ)c），體系結(jié)構(gòu)沒(méi)有被破壞，但是發(fā)生了一定的形變并且隨著剪切時(shí)間的增大出現(xiàn)了斷裂，使得局部速度分布表現(xiàn)出極其不連續(xù)，即由多個(gè)零剪切速率區(qū)域組成。而且，兩壁面滑動(dòng)程度的劇烈波動(dòng)容易加劇速度分布的不連續(xù)性。而當(dāng)表觀剪切速率接近臨界速率時(shí)（(γ)a≈(γ)c）時(shí)，剪切帶中另外還出現(xiàn)了相對(duì)較高剪切的區(qū)域，表明體系結(jié)構(gòu)

13、既有剪切導(dǎo)致的破壞流動(dòng)又有部分?jǐn)嗔选．?dāng)表觀剪切速率超過(guò)臨界速率（(γ)a＞(γ)c）或剪切應(yīng)力超過(guò)屈服應(yīng)力（σ＞σv）時(shí)，結(jié)構(gòu)在開(kāi)始階段就出現(xiàn)破壞，此時(shí)運(yùn)動(dòng)板的滑動(dòng)遠(yuǎn)大于靜止板的滑動(dòng)，使得結(jié)構(gòu)破壞產(chǎn)生的高剪切帶處于靜止板附近，而低剪切帶處在運(yùn)動(dòng)板附近。之后隨著剪切時(shí)間的延長(zhǎng)或剪切速率、應(yīng)力的增大，低剪切區(qū)域逐漸消失，取而代之的是體系發(fā)生整體均勻流動(dòng)。另外，在控制應(yīng)力條件下，當(dāng)施加應(yīng)力低于屈服應(yīng)力時(shí)，體系結(jié)構(gòu)沒(méi)有被破壞，但此時(shí)應(yīng)力若超過(guò)滑

14、移應(yīng)力σ'y，體系只滑動(dòng)不流動(dòng)。
　　6.對(duì)表觀流變性質(zhì)與局部流動(dòng)行為的預(yù)測(cè)是當(dāng)前乃至今后模型發(fā)展的主要方向。當(dāng)前主流觸變理論模型主要集中在對(duì)表觀流變預(yù)測(cè)方面，然而，對(duì)表觀流變性質(zhì)的預(yù)測(cè)效果來(lái)講，不同模型給出的結(jié)果差異截然不同，更別論對(duì)局部流動(dòng)行為的預(yù)測(cè)。我們首次經(jīng)過(guò)綜合分析對(duì)比研究了其中一些典型模型的預(yù)測(cè)能力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)因子模型表現(xiàn)出較好的預(yù)測(cè)能力，并且可以通過(guò)適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化來(lái)描述簡(jiǎn)單屈服應(yīng)力流體的表觀流變性質(zhì)。其中，λ-DM

15、model和λ-C model是結(jié)構(gòu)因子模型中兩個(gè)預(yù)測(cè)效果最好的模型。λ-DMmodel對(duì)表觀流變性質(zhì)有較強(qiáng)的預(yù)測(cè)能力，特別是對(duì)觸變型屈服流體的觸變特性以及顆粒網(wǎng)粘彈作用的預(yù)測(cè)能力較強(qiáng)，原因在于該模型對(duì)結(jié)構(gòu)因子演化的精細(xì)描述以及對(duì)各部分應(yīng)力貢獻(xiàn)的界定。然而，該模型的一大不足是無(wú)法對(duì)局部流動(dòng)行為進(jìn)行描述。λ-C model雖然形式簡(jiǎn)單卻能描述幾個(gè)比較關(guān)鍵的現(xiàn)象（如粘度分叉、aging、剪切帶），原因在于模型允許結(jié)構(gòu)因子在低流場(chǎng)強(qiáng)度下進(jìn)行無(wú)