剪切增稠液及其在缓冲减振领域应用研究进展_刘强.pdf

第 卷第 期功能材料与器件学报.，.年 月 ，文章编号：（）：收稿日期：；修订日期：基金项目：黑龙江省自然科学基金（）；黑龙江省普通本科高等学校青年创新人才培养计划（）；作者简介：范吉庆（），男，硕士研究生，研究方向为智能减振刀具及振动控制。：；通信作者：刘 强（），男，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为智能刀具技术，切削加工过程检测监控技术、仿生刀具设计与制备技术；：剪切增稠液及其在缓冲减振领域应用研究进展刘 强，范吉庆（哈尔滨理工大学 先进制造智能化技术教育部重点实验室，哈尔滨，；哈尔滨理工大学 高效切削及刀具国家地方联合工程实验室，哈尔滨）摘要：剪切增稠液是一种智能材料，其独特的流变特性引起了学术界的广泛关注。当下的研究热点是将其应用到缓冲减振领域，但由于性能存在制约，制约了器件的应用和发展。因此，总结了剪切增稠液的剪切增稠机理，并概述了器件应用方面的表现。最后，总结了剪切增稠液及其器件应用的优势和不足之处，为新型剪切增稠材料的研究和发展提供一定的启示。关键词：剪切增稠液；剪切增稠机理；缓冲减振中图分类号：文献标志码：，（，；，）：，：；引言由于材料学科的迅速发展，以智能材料为驱动的缓冲减振技术，为各领域结构振动控制提供了新的研究方向。剪切增稠液（，）就是智能材料的一种，是由分散相和分散介质组成的分散体系，随着剪切速率的不同而表现出不同的特性。剪切增稠效应对剪切应变率敏感，因此在工作时不需要像磁流变和电流变材料那样外加磁场或电场。所以采用 材料研制的器件属于无源器件，该器件更适用于自适应控制。近年来，国内多所高校相继开展了剪切增稠液的研究。其中，中国科学技术大学、重庆大学、哈尔滨工业大学等高校的科研人员对 材料的制备和器件应用进行过较多的研究。本文综述了近年来剪切增稠液及其在缓冲减振领域应用方面的最新研究，并指出了当前研究存在的问题，以期能够为各领域的研究人员在该方面的研究和应用提供参考。剪切增稠液 剪切增稠液概述随着剪切速率增大，液体粘度迅速提升的现象被定义为剪切增稠，而具有该性质的液体被称为剪切增稠液。是一种非牛顿可逆流体，是由分散相和分散介质组成的分散体系。分散相为固体微颗粒，分散介质为低分子有机或者无机液体，也可以将两种或多种混合溶剂作为分散介质。在平衡状态下，分散体系表现出的流动性较好；当受到的剪切作用力超过其临界作用力时，其分散体系的黏度会急剧增加，进而出现剪切增稠现象，此时表现出类固体的状态；当所受的剪切作用力消失后，会很快恢复成可流动状态。的剪切增稠性能与其分散相、分散介质、添加剂以及外加电场或磁场等因素密切相关。下面对影响其剪切增稠性能的因素逐一进行介绍与分析。（）分散相分散相的性质会影响 剪切增稠性能，影响因素主要包括：分散相粒子的体积分数、分散相粒子的形状、分散相粒子的尺寸、分散相粒子硬度及对分散相粒子的改性处理等。分散相粒子的体积分数被定义为分散相体积与液体总体积之比。等研究表明只要分散相体积分数达到一定值后 才具有产生剪切增稠能力的行为，并且该值的大小会随着 材料固有属性的不同而改变。等研究表明临界剪切速率会随着分散相体积分数的提升而减小。这是因为在分散相浓度较大的剪切增稠液中，分散相粒子之间的距离会显著减小，流体动力变大，此时需要较小的剪切速率来克服斥力。为了探究分散相粒子的形状对 流变性能的影响，等使用聚乙二醇和球形或不规则形状的二氧化硅颗粒设计了两种，试验结果表明，虽然在不规则形状的二氧化硅基 中剪切速率较低，但仍会发生剪切增稠现象。等研究表明分散相粒子形状对 流变性能的影响与粒子的长径比密切相关，在流动过程中高长径比的粒子接触到相邻粒子的概率较低长径比的高，使用高长径比粒子更容易使 产生剪切增稠行为。等发现使用方形的 颗粒作为分散相的 具有优于传统球形颗粒 的剪切增稠性能。研究表明，分散相粒子的尺寸会影响 的剪切增稠性能。等研究了 颗粒大小对复合织物抗穿刺性能的影响，如图 所示。结果表明，当浓度越高、粒径越小时，的剪切速率越低。一般根据分散相颗粒尺寸的不同将 分为两类，一类是气相二氧化硅（）、纳米碳酸钙（）等纳米粒子的分散相胶体体系；另一类是纳米级二氧化硅、微米级的淀粉和亚微米级的聚甲基丙烯酸甲酯或者微米级的分散相悬浮体系。因此，第一类 一般表现为连续性的剪切增稠，而第二类 仅在高浓度时才会表现出非连续性的剪切增稠。分散相粒子硬度大小与 的剪切增稠性能有着密切的关系。等研究表明使用较软颗粒的 在高应力作用下剪切增稠减弱，且伴随着粘度下降。等发现较硬的粒子作为分散相时更能承受颗粒间的应力。此外，由于粒子间的相互作用对剪切增稠行为有着重要的作用，故分散相粒子的表面粗糙度也会对剪切增稠性能产生较大影响。分散相粒子的改性处理会改变 性能。等制备了一系列基于改性 纳米粒子的剪切 期刘 强，等：剪切增稠液及其在缓冲减振领域应用研究进展图）粒子间空隙形态；）初始粘度和最大粘度曲线；）临界剪切速率曲线 ）；）；）增稠流体。研究发现，改性处理会显著降低颗粒团聚，改善颗粒分散性能，提高流体中的最大颗粒浓度。等使用硅烷偶联剂研究官能化 粒子对体系的影响，发现在硅烷偶联剂的作用下颗粒与分散介质之间会形成牢固的键。等发现酸处理可增大体系粘度，同时减缓由于浓度过高而引起的 增稠比的增长。（）分散介质分散介质对 剪切增稠能力的影响很明显，不同特性的分散介质对 剪切增稠能力影响程度是不同的，主要表现在分散介质自身粘度以及与分散相粒子相结合的能力。等为了研究分散介质的浓度大小对 特性的影响，使用不同比例甘油和水的混合物作为分散介质制备，结果表明增大甘油与水之间的比例，体系的临界剪切速率明显降低，性能显著提升。等研究了分散介质粘度对 流变性能的影响，结果表明临界应变随分散介质粘度改变明显变化。（）添加剂相比于组成 体系的分散相、分散介质，添加剂的含量很少但是却可以明显改善悬浮液的剪切增稠性能。等发现向悬浮液中加入各类表面活性剂都会提升 性能。等研究表明陶瓷材料作为添加剂时会削弱 剪切增稠现象。纤维素对 效应也是有影响的。等向 中加入纤维素来探究该影响，其微观结构如图 所示。实验结果表明由于纳米纤维上的大量羟基增强了它们与纳米颗粒间氢键的相互作用，使 的 效应增强。图 扫描电镜图像：（）硅聚乙二醇；（）纤维增强硅聚乙二醇 ：（）；（）（）外加电场或磁场外加电场或磁场通过对分散相粒子和分散介质产生极化作用来影响其特性。等研究了电场对剪切增稠效应的影响，结果表明随着电场强度的提升，的临界剪切速率会产生滞后作用，同时体系峰值粘度降低，即对 剪切增稠有阻碍效应。等通过向含有 的单分散相悬浮液体系中加入羰基铁粉，制得了磁流变剪切增稠液（，），并发现悬浮液的剪切增稠程度会因羰基铁粉含量提高而减弱。上述研究表明了电场或磁场都会对剪切增稠现象产生阻碍作用，如何正确“利用”阻碍作用是未来科研工作的研究重点。除电场、磁场外，温度场也会对 性能有影响。等研制了一种可变色，并探讨了温度对其流变性能的作用。结果表明温度升高时，的临界剪切速率降低，峰值粘度减小，其对可见光的反射峰值波长逐渐下降。剪切增稠现象与剪切增稠机理 剪切增稠现象当我们在跑道上走路时，会感觉地面很软。但只要加速奔跑或跳跃，跑道地面立刻变的坚硬起来，这种跑道就是由剪切增稠材料制作而成。在厨房，随处可见淀粉和水，将其混合并搅拌均匀，静置等淀粉沉淀后将上方澄清的液体倒掉，剩下的沉淀就具有剪切增稠特性。当缓慢搅拌时感觉不到太大的阻 功能材料与器件学报 卷力；但快速插入或搅拌时，则会表现出明显的增稠现象。鉴于剪切增稠材料这种“智能”的特性：“流体的黏度随剪切速率增大而增大”，材料已经在日常生活中有了较为广泛应用。剪切增稠机理为了进一步研究，需要深入了解剪切增稠机理，最终达到其性能可控并满足寻找最优制备方案的需求。而 作为一种非牛顿流体，其流变行为不具有可控性，同时缺乏合适的测试手段和与之匹配的装置，这些都导致不同研究人员对其机理认识的不同。有效的机理解释，不仅仅能为 的性能修正做出指导，更加能大力推动 在相关领域中的应用。目前，从 概念提出到今天近 年的研究历史，针对各种不同体系的，不同研究人员总结归纳提炼出了不尽相同的能自洽的剪切增稠机理。主要有三种理论：“有序无序转化”机理，“粒子簇”机理和“膨胀”机理。（）有序无序（）转变机理“有序无序转化”机理最早是由 提出的，该理论可以表述为分散体系在粒子间的斥力作用下，保持一种稳定的有序排列状态。如图 所示，当 处于平衡态时，分散体系的粒子处于无序排列状态；开始受剪切时，分散体系中的粒子排列的有序程度会提高并出现层状流动，使得体系的黏度降低；当剪切增加时，作用在粒子上的作用力随之增大，当作用力大到可以打乱有序流动时，粒子排列则变得无序，从而导致黏度增大。图 “有序无序转化”机理示意图 但是，等研究发现，非连续性增稠可以在没有“有序无序转化”的情况下发生。因此，“有序无序转变”机理是不必要的。（）“粒子簇”机理等对“有序无序转变”机理提出了质疑，首次通过流体动力学对剪切增稠现象的模拟研究，也是最早提出关于剪切增稠的“粒子簇”机理。“粒子簇”是基于流体间的相互作用，该理论认为产生增稠的原因是在粒子间的相互流动作用力的作用下，形成较大体积的粒子聚集体，进而产生“粒子簇”。“粒子簇”阻碍流体的流动，使得分散体系的黏度增大，其过程如图 所示。图 “粒子簇”机理示意图 “”等将高速共焦显微镜与同步力学测试连用，研究 在增稠过程中的内部结构变化。在发现剪切增稠时，粒子聚集成簇，第一次相对客观的验证了“粒子簇”理论的正确性。但是，等对表面粗糙粒子制备的高浓度分散体系进行模拟研究，认为形成粒子簇的根本原因是粒子间的摩擦力，粒子间的摩擦损耗导致了宏观的剪切增稠；剪切增稠时表观粘度的大小与粒子簇尺寸的二次方呈正比。进一步的，等通过模拟计算和试验研究得出：粒子在剪切作用下相互接触摩擦是粒子簇形成的主要因素，而流体力对粒子簇的形成影响很小。（）“膨胀”机理“粒子簇”机理确实能够解释剪切増稠液中黏度上升的现象，然而由于其不能够承受太高的剪切应力的作用，只会出现几倍的上升，无法解释大颗粒浓悬浮液中的黏度成百上千倍增长的非连续剪切增稠现象。因此，一些研究者基于剪切增稠液在剪切作用下出现的液体固体状态转变，提出了膨胀机理来解释非布朗浓悬浮液体系中的非连续剪切增稠行为。膨胀机理的基本思想是当颗粒剪切流动时，由于受到流体边界的限制而挫败，剪切会对边界产生一个正应力。边界会提供一个等大反向的作用力，这个力会沿着流体中的临近粒子间的摩擦接触形成 期刘 强，等：剪切增稠液及其在缓冲减振领域应用研究进展力链传播，如图 所示。摩擦接触所产生的剪应力与正应力成正比，引起剪切应力随着剪切速率急剧增大，从而形成非连续性的剪切增稠。在剪切增稠的转化过程中粒子形成了接触网络，这些网络由摩擦力来支持并在整个系统内传递，出现液体固体状态转变。图 “膨胀”机理示意图 剪切增稠液在缓冲减振领域的应用剪切增稠液是一种软材料物质，它同时具备流体和固体的特性，在剪切作用下具有液体固体转换的特点且这些变化都是可逆的。所以，这种智能材料在人体防护、减振缓冲以及其他各相关领域有广泛应用。本节主要对 器件的缓冲减振领域应用情况及优缺点进行介绍，并对其应用前景进行展望。缓冲器件防刺防弹衣可以有效地防止锋利的器械对被保护部位的攻击，减少对人体的威胁。等设计制作了经 处理的织物。试验结果如图 所示，表明经 处理的织物在穿刺测试中的峰值穿刺力比未处理的织物明显增加。这是因为 限制了刀具穿透织物时纤维束的滑移，对保持织物结构的紧密性和完整性起到了作用。将间隔织物与 进行复合可以制备出积极抗冲击防护材料。陆振乾等针对传统个体防护材料柔韧性不好刚硬性强及限制人体活动等缺点设计了一种 填充经编间隔织物（）柔性复合材料，并对其冲击性能进行研究。结果表明加入的复合材料具有较好的能量吸收性能和明显的应变率效应。但是 在亚麻等天然织物上却鲜有研究，针对该问题，等首次将 应用于天然织物，结果表明经 处理的亚麻织物和 处理的杂交种织