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、人體防護等領域具有重要的應用前景。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)異的易于工程應用的剪切增稠膠材

3、料。本研究主要內容包括：
　?、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，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相關器械的設計，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。結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，結果表明當達到臨界擠壓速度時，體系發(fā)生流-固轉換現(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。結果表明在剪切條件下DST懸浮液所受扭矩不是單調上升的，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對應的時間點不一致。
　?、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-固轉換現(xiàn)象，應變率效應和能量耗散現(xiàn)象，為基于STF設計的防護應用，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的側限

6、壓縮力學性能，結果表明體積模量隨著應變率的增大而增大。這種STF體積模量的應變率效應是由內部顆粒形成力鏈結構導致。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，即內部顆粒的調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-固體轉變現(xiàn)象的原因。最后給出了在剪切應力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)。
　?、柔槍TF應用中的不穩(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從低應變率到高應變率下的力學性能，結果表明STG從低應