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剪切增稠材料的力学性能表征及机理研究

蒋伟峰  
【摘要】:剪切增稠液(STF)是一种将纳米或微米级的颗粒分散到牛顿流体中而形成的非均质颗粒悬浮液。通常在剪切条件下,其粘度随着剪切速率的增大而增大。这种悬浮体系在低扰动下表现为流体状态,当突然施加作用力时变得异常粘稠甚至展现出类固体状态,当撤去外部力作用时重新恢复到流体状态。由于STF的力学性能高度非线性使其具有优异的能量吸收能力,从而在振动控制、抗冲击、人体防护等领域具有重要的应用前景。过去几十年间,在STF的力学性能表征和机理解释等方面,已经取得了一大批研究成果。但是,仍有许多工作亟待解决。对剪切现象更加深入的了解,进而合理有效地解决工程实际问题,正是本文所追求的目标。为此,本文首先对STF低速小载荷下的流变性能进行了表征;接着对STF高速大载荷下的冲击力学性能进行了表征;然后,通过研究剪切在STF流场状态转换中的作用,提出了一种新的更加合理的解释剪切增稠现象的模型-颗粒松弛模型;最后,针对STF应用中的不稳定性和不易封装,研究了一种性能稳定优异的易于工程应用的剪切增稠胶材料。具体工作包括以下几个方面: 1.采用安东帕MCR301流变仪,表征了STF低速小载荷下的流变性能,发现了STF流变性能的剪切加速度效应,表征了STF的挤压流变性能,表征了非连续性剪切增稠(DST)悬浮液完整的力学性能,为STF相关器械的设计,提供了实验依据。首先研究了STF流变性能的剪切加速度效应。结果表明随着剪切加速度的增大,临界剪切速率变大,粘度一剪切速率曲线的斜率变小。这是由于剪切加速度越大,粒子的惯性效应越明显,引起了上述STF流变性能的滞后现象。紧接着研究了STF的挤压流变性能,结果表明当达到临界挤压速度时,体系发生流-固转换现象。临界挤压速度随着板间距的增大而增大,随着体系体积分数的增大而减小。挤压堵塞的发生由挤压速率控制,并且挤压速率越大形成得力链规模越大越稳定,产生的法向力越大。最后将流变仪的信号运用高频率采集卡进行采集和分析,初步表征了DST悬浮液的力学行为。结果表明在剪切条件下DST悬浮液所受扭矩不是单调上升的,而是以S型形状上升,扭矩和法向力的起始增长时间点和最大值相应对应的时间点不一致。 2.采用改进的SHPB测试系统开展了STF高速强载荷下的冲击力学性能,发现了STF在冲击载荷下的流-固转换现象,应变率效应和能量耗散现象,为基于STF设计的防护应用,提供了实验依据。首先研究了冲击条件下,STF的挤压力学性能,结果表明在受到冲击时,STF由液体变为固体。并且随着冲击强度的增大,STF出现屈服现象,产生这种现象的原因是颗粒之间形成永久的聚集。接着研究了STF的侧限压缩力学性能,结果表明体积模量随着应变率的增大而增大。这种STF体积模量的应变率效应是由内部颗粒形成力链结构导致。最后,运用改装的SHPB,通过对比参照波的波形,证实了STF在冲击过程中能量吸收现象。 3.引入剪切因素,提出了一种解释增稠现象的模型-颗粒松弛模型,完善了接触模型,解释了DST悬浮液产生固体-液体-固体转变现象的原因。首先分析了在剪切条件下悬浮液颗粒之间的接触模式,由低剪切速率下的水动力状态(颗粒之间分离)到高剪切速率下的边界润滑状态(颗粒之间接触)。当颗粒处于边界润滑状态时,悬浮液的力学行为与干颗粒流的力学行为相似。通过研究玉米淀粉-水悬浮液在不同剪切应力下的流变行为,得到了DST的发生机制是由于外部剪切场激活了颗粒重排的时间特性,即内部颗粒的调整过程跟不上外界的载荷时间。这个模型解释了DST悬浮液具有两种堵塞密度的原因,解释了体系发生固体-液体-固体转变现象的原因。最后给出了在剪切应力τ-体积分数φ坐标下的相变图,为研究颗粒悬浮液的物理机制提供了实验依据。 4.针对STF应用中的不稳定性和不易封装,研究了一种性能稳定优异的剪切增稠胶材料,评估了抗冲击性能,表征了力学性能,分析了硬化机理,为这种新型智能材料的机理解释及工程实际应用提供了力学性能依据。首先介绍了一种性能稳定,力学性能应变率敏感的剪切增稠胶(STG)的制备过程。通过落锤实验,评估了其防护性能,并发现这种防护性能由吸收能量和抵抗变形能力实现。表征了STG从低应变率到高应变率下的力学性能,结果表明STG从低应率下的粘弹态转变为中应变率下的橡胶态再转换为高应变率下的玻璃态,橡胶态转变应变率为2.5s-1。正是由于这些相变行为使得STG具有吸收能量和抵抗变形的能力,进而具有优异的防护性能。最后,提出了聚合物相变的jamming模型,提供一种研究聚合物材料特性的方法。


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