淺談剪切增稠液研究進(jìn)展及應(yīng)用

李錦坤，高 翔，尹國(guó)磊

（1.湖北航天技術(shù)研究院計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，湖北 孝感 432100；2.南京理工大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 南京 210000）

1 剪切增稠效應(yīng)概述

黏度又稱黏滯系數(shù)，是度量流體黏滯性大小的物理量。假設(shè)將兩塊面積為1 m2的平行板浸于液體中，兩板間的間距為r。此時(shí)，在上板上施加一相應(yīng)的推力F，由于液體存在黏性，此力將被層層傳遞，造成各個(gè)液層的運(yùn)動(dòng)，并且各個(gè)液層之間的流動(dòng)速度會(huì)形成一系列的速度梯度，設(shè)其為du/dr，稱為速度梯度。設(shè)A為流體與兩板的接觸面積，則定義有如下關(guān)系式：

式中：η被定義為液體的黏度，單位為Pa·s。

1938年，剪切增稠效應(yīng)被Freundlich[1]在硬球分散液實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)之后，在多種懸浮液（由分散劑和分散介質(zhì)組成的懸浮液體系）中被廣泛發(fā)現(xiàn)[2]。剪切增稠流體具有黏度η隨著剪切速率γ·的增加而增加的特點(diǎn)，隨后人們便將這種具有剪切增稠性能的流體稱為剪切增稠液（Shear Thickening Fluid，STF）[3]。

2 STF的增稠機(jī)理

STF從首次被研制至今，學(xué)者們對(duì)其發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了廣泛的研究，但是尚無(wú)統(tǒng)一定論。目前，被廣泛接受的關(guān)于剪切增稠的發(fā)生機(jī)理有3種。第一種是Hoffman[4]提出的有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變機(jī)理（Order Disorder Transition，ODT）；第二種是Brady等[5]提出的粒子簇（Hydrocluster）生成機(jī)理；第三種是近年來為了解釋一類高性能STF所提出的“Jamming”機(jī)理[6]。由納米級(jí)的分散相粒子和分散介質(zhì)構(gòu)成的膠體體系的STF往往由ODT機(jī)理和粒子簇機(jī)理解釋，分散相粒子、分散介質(zhì)、溫度都是影響其剪切增稠效應(yīng)的因素。早期，研究人員的關(guān)注點(diǎn)主要集中于膠體體系（STF），并且相繼提出了ODT理論和“Hydrocluster”理論來解釋這些剪切增稠行為。

3 性能卓越的DSTF

近年來，一類性能更加優(yōu)異的STF逐漸進(jìn)入研究人員的視野，并且越來越受到研究人員的關(guān)注。非連續(xù)性剪切增稠液（Discontinuous Shear Thickening Fluid，DSTF），非連續(xù)性表現(xiàn)在：當(dāng)施加外力使剪切速率達(dá)到一定值時(shí)，其黏度η呈現(xiàn)幾個(gè)數(shù)量級(jí)的大幅度躍遷（Jumping），增稠液由液態(tài)瞬時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)轭惞虘B(tài)，能夠阻擋甚至反彈外力的沖擊。這一類非布朗顆粒懸浮液中最出名、最具有應(yīng)用潛力同時(shí)展現(xiàn)出卓越的剪切增稠性的體系是水淀粉（CS）體系。

由于CS體系獨(dú)特而卓越的性能，很多學(xué)者和研究人員研究了這種神奇的流-固轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。早期，研究人員試圖使用“Hydrocluster”機(jī)理來解釋DSTF行為，當(dāng)體系中分散相顆粒的體積分?jǐn)?shù)逐漸增大時(shí)，在受到剪切力的情況下，形成的“粒子簇”會(huì)越來越大，最終導(dǎo)致類固體行為。但是，粒子簇理論無(wú)法解釋DSTF的非連續(xù)特性，同時(shí)，使用基于“粒子簇”理論的數(shù)學(xué)模型無(wú)法模擬出這種類固體行為，在理論上對(duì)粒子簇理論進(jìn)行了否定。大量學(xué)者經(jīng)過不懈的研究認(rèn)為，“Jamming”機(jī)理才是DSTF發(fā)生的真正機(jī)理。

4 STF在動(dòng)力響應(yīng)材料方面的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

鑒于STF優(yōu)異的動(dòng)力響應(yīng)效果，研究人員首先將其應(yīng)用在個(gè)體防護(hù)領(lǐng)域。美國(guó)學(xué)者Lee等[7]于2002年首先制備出可應(yīng)用于個(gè)人防護(hù)的液體防彈衣，該防護(hù)材料將STF和Kevlar纖維織物結(jié)合，研究者在STF中使用的分散介質(zhì)為PEG和EG，結(jié)果表明：使用PEG作為分散介質(zhì)的STF具有較優(yōu)異的防護(hù)效果和抗彈道性能，而EG的效果則弱一些。新加坡的Tan等[8]使用SiO2作為分散相、水作為分散介質(zhì)，制備了一種新型STF，并且將這種STF與Twaron纖維織物進(jìn)行復(fù)合，結(jié)果表明：經(jīng)過STF浸漬復(fù)合后，Twaron纖維的抗彈防護(hù)性能得到了提高。國(guó)內(nèi)的Gong等[9]也制備并研究了 STF-Kevlar復(fù)合材料，并且對(duì)該材料的防刀割和防刺性能進(jìn)行了測(cè)試，解釋了防護(hù)機(jī)理，研究發(fā)現(xiàn)：STF-Kevlar材料的防護(hù)性能比單純的Kevlar纖維更優(yōu)異，并且認(rèn)為是STF形成的“Hydrocluster”導(dǎo)致Kevlar纖維之間的摩擦增大，從而提高了防護(hù)性能。

對(duì)于DSTF體系，目前的研究主要還是集中于機(jī)理的探索和討論，將其應(yīng)用于個(gè)體防護(hù)領(lǐng)域并且制備出可穿戴成品的報(bào)道還比較少見，這主要是由于DSTF的分散相為微米級(jí)非布朗顆粒懸浮液，穩(wěn)定性較差，顆粒尺寸較大，無(wú)法用來加強(qiáng)Kevlar等纖維材料，并且由于其本身是流體材料，不易封裝。報(bào)道中，Herrera等[10]使用55%的水淀粉DSTF作為主防護(hù)材料，使用PVC加強(qiáng)軟管作為模板，制備了一種基于DSTF的護(hù)具。該護(hù)具主要應(yīng)用于交通事故中人體的脖頸防護(hù)，在受到?jīng)_擊時(shí)，水淀粉DSTF能夠吸收大部分能量，大幅度減小事故對(duì)人體脖頸處的沖擊。

5 總結(jié)與展望

作為一種神奇的功能性材料，基于ODT機(jī)理和粒子簇機(jī)理的膠體體系的STF，已經(jīng)得到了研究人員較為深入的研究，并且已經(jīng)開展了較為廣泛的功能性應(yīng)用。但是另一類剪切增稠性能更好的DSTF，增稠機(jī)理仍然有待科研工作者的挖掘和論證，功能性應(yīng)用尚處于起步階段。如果能夠?qū)崿F(xiàn)DSTF的功能性應(yīng)用，相信能夠在多個(gè)領(lǐng)域尤其是個(gè)體防護(hù)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。