剪切增稠膠力學(xué)性能及非線性彈簧研究.pdf

1、剪切增稠膠(Shear Thickening Gel，STG)是一種類似橡皮泥的非晶線性聚合物。在低應(yīng)變速率下，表現(xiàn)出流體特性;受到?jīng)_擊時(shí)，迅速變硬，表現(xiàn)出固體特性;并且沖擊過后可恢復(fù)到初始狀態(tài)。由于STG在液-固轉(zhuǎn)換過程中吸收大量的能量，因此被廣泛用于減震、防護(hù)領(lǐng)域。目前針對STG力學(xué)性能表征和性能改善的研究尚處于初級階段，特別的對其能量吸收能力與其力學(xué)性能對應(yīng)關(guān)系的認(rèn)識(shí)還不夠透徹。
　　本論文首先采用流變儀探究STG在剪切模式

2、下的力學(xué)參數(shù)隨剪切應(yīng)變幅值、激勵(lì)頻率變化關(guān)系，分析粘彈性與能量吸收能力的相關(guān)性。其次通過無機(jī)粒子摻雜，分析不同粒子改性后STG力學(xué)性能，得到性能優(yōu)異的STG。最后，運(yùn)用力學(xué)性能改善后的STG，設(shè)計(jì)得到阻尼、剛度自我協(xié)調(diào)的非線性彈簧。本文針對剪切模式STG流變性能和非線性彈簧關(guān)鍵問題展開研究，對于評價(jià)STG、理解STG微觀結(jié)構(gòu)變化以及STG的應(yīng)用研究具有十分重要意義。本論文主要研究成果如下:
　　1)純STG采用大振幅振蕩剪切(LA

3、OS)實(shí)驗(yàn)，界定其材料線性、非線性區(qū)域，分析粘彈性能與能量吸收能力的相關(guān)性。由應(yīng)變掃描及其相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析表明剪切應(yīng)變幅值2％為STG線性到非線性轉(zhuǎn)變臨界應(yīng)變點(diǎn)。STG由類液態(tài)變?yōu)轭惞虘B(tài)，臨界轉(zhuǎn)換頻率為7Hz，在液固轉(zhuǎn)換區(qū)域STG具有優(yōu)異的能量吸收能力。
　　2)采用無機(jī)粒子(CaCO3、SiC、ZrO2)對STG力學(xué)性能改性。測試相同粒子不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)、相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同粒子剪切模式下力學(xué)性能，對模量變化、損耗因數(shù)、復(fù)合粘度

4、變化及其相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析，表明CaCO3在力學(xué)性能改善方面具有顯著優(yōu)勢。
　　3)基于STG設(shè)計(jì)出非線彈簧具有自適應(yīng)變剛度、變阻尼特性，在單軸壓縮測試條件下STG非線性彈簧最大剛度為7N/mm。在頻率為10Hz動(dòng)態(tài)測試條件下STG非線性彈簧最大剛度達(dá)到98N/mm是單軸壓縮下測試時(shí)14倍。隨著頻率增加，遲滯回線形狀也越來越飽滿，具有很強(qiáng)自我協(xié)調(diào)特性。
　　為了將STG更好用于減震防護(hù)領(lǐng)域，對STG線性、非線性界定，在