常見的流體如水、石油等，在溫度、氣壓等外界因素不變的情況下，粘度不隨剪下速率變化而變化，這種流體稱為牛頓流體。但我們往往需要某些粘度隨剪下速率變化的非牛頓流體來滿足我們對工程實際的需求。而一些工程套用比如阻尼器往往需要高效率的能量吸收，此時使用粘度隨剪下速率變大的剪下增稠流體效果更好。在所有流體中，剪下增稠流體是較為罕見的類型。
剪下增稠，也稱為脹流性，是指體系粘度隨著剪下速率或剪下應力的增加展現出個數量級增加的非牛頓流體行為。具有剪下增稠效應的懸浮體系被稱為剪下增稠液。
基本介紹
- 中文名：剪下增稠
- 外文名：shear thickening dilatancy
- 拼音：jianqiezengchou
- 又稱：脹流性
- 類型：名詞
增稠現象,增稠效應,分類,影響因素,增稠機理,膠體顆粒體系,非布朗顆粒,套用,
增稠現象
增稠效應
分類
在英國標準流變術語中，剪下增稠定義為粘度隨著剪下速率的增大而增大。值得一提的是，這種現象不同於震凝性，震凝性指得是在恆定剪下速率下粘度隨著時間的推移而增大。剪下增稠現象常見於高濃度的納米或微米級顆粒和牛頓流體組成的懸浮體系中。但是，當改變剪下條件時，這種濃懸浮液同樣可以表現出剪下變稀、牛頓等流變行為。因此，我們所研究STF的指的是只要在一定的剪下條件下可以產生剪下增稠效應的流體。顆粒懸浮液為複雜流體，不同的體系或分散相種類，表現出多種不同類型的STF。從剪下應力剪下速率的曲線的幾何特徵上能對進行分類。
第一種是粘度隨著剪下速率緩慢上升，這種剪下增稠現象是由克服顆粒之間作用力，繼而形成局部高濃度的粒子簇引起。通常出現在顆粒粒徑微米量級以下的膠體濃懸浮液中。第二種，同樣是粘度隨著剪下速率緩慢上升，相比於上一種STF，體系具有確定的流變行為，這種STF稱為連續性剪下增稠液（CST），通常出現在顆粒粒徑微米量級以上的非布朗顆粒濃懸浮液中。當體系達到臨界剪下速率時，顆粒之間相互接觸。此時，懸浮液的流變行為等效於高體積分數下的乾顆粒流的流變行為。這種體系表現出剪下增稠現象是由於在高速剪下下，顆粒之間相互碰撞損耗能量引起。第三種，粘度隨著剪下速率非連續性上升，體系由液態變為類固態。這種類型STF的稱為非連續性剪下增稠液（DST），通常出現於顆粒粒徑在微米量級以上的非布朗濃懸浮液或表面具有高分子鏈的膠體懸浮液中。DST現象的研究是近年來的熱點，這種現象與顆粒物理中jamming的現象類似。目前研究人員習慣將DST現象的研究歸入軟凝聚態物理學。和常見於非布朗顆粒濃懸浮液中，區別兩者的關鍵因素是體系的體積分數。
影響因素
決定剪下變稀和剪下增稠的種類主要因素為顆粒的大小、顆粒之間的作用力、體積分數等。其中顆粒大小影響著布朗運動的顯著程度，一般以微米量級為分界點，可以分為膠體懸浮液和非布朗懸浮液。顆粒之間無作用力並且沒有沉降的非布朗懸浮液中，在低剪下速率下，出現牛頓流體現象，沒有剪下變稀效應。在較高的剪下速率下，當體積分數較小時，體系出現CST；當體積分數較大時，體系出現DST。顆粒具有作用力，那么在低剪下速率下，體系具有屈服應力，從而出現較顯著的剪下變稀現象。對於顆粒之間無作用力的膠體懸浮液，在低剪下速率下，由於顆粒的熱運動，出現較弱的剪下變稀現象。隨著剪下速率的增大，以此出現牛頓流體現象和剪下增稠現象。這種剪下增稠較為不明顯。對於顆粒之間有作用力的膠體懸浮液，與顆粒之間無作用的膠體懸浮液的流體狀態不變，但是剪下變稀和剪下增調效應更為顯著。當顆粒之間的作用力隨著剪下速率的增大而增大時，這種體系會出現DST。
膠體顆粒的STF主要由分散相和分散介質組成。目前製備STF的分散相主要包括二氧化桂顆粒、聚氯乙稀顆粒、碳酸韓顆粒、聚甲基兩稀酸甲酯顆粒、碳納米纖維、二氧化鈦顆粒等。在分散介質方面研究人員採用乙二醇等研製STF。影響剪下增稠效應的因素很多，包括顆粒的大小、粒徑分布、形狀、體積分數，分散介質的粘度、值，溫度，添加劑等等。
增稠機理
膠體顆粒體系
在高體積分數的膠體懸浮液中，體系表現出剪下增稠現象，此時該現象可以用粒子簇理論來解釋。首先我們討論體系中兩個粒子耦合的情況。在近距離範圍內，水動力與顆粒表面間的間距成反比，並且在一個奇點發散。在簡單剪下下，如果顆粒之間相互靠近，顆粒的運動軌跡與水動力的相互作用相關。在剪下條件下，顆粒相對於參照顆粒的相對運動。運動軌跡線左右對稱，並且分為兩個狀態：發散的軌跡和閉合的軌跡。當懸浮液在高剪下速率下，顆粒之間相互耦合進入閉合的軌跡，形成粒子簇。此時粒子簇的顆粒濃度較大，當體系受到剪下，消耗的能量增大從而導致粘度上升。
非布朗顆粒
對於高體積分數的非布朗顆粒懸浮液，體系在達到臨界剪下速率時，粘度發生階躍性的，幾個數量級地上升，體系甚至由流體變為固體。
套用
剪下增稠現象最初發現於工業或輸運過程中，一般是這一類過程需要克服的有害因素。近年來，隨著安全防護日益增長的需要，STF作為方便實用的抗衝擊材料引起高度重視。美國、英國和新加坡等國均研製出SiO2系列STF、剪下增稠纖維高分子複合材料或膠狀抗衝擊材料，其抗剌、抗衝擊能力較傳統防護材料有極大提高。
