剪切增稠流体材料，抗外力防护的能手
2017-07-04 14:19:49
作者：本网整理 来源：中国粉体网
导读
在剪切增稠材料是一种新型功能材料，优异的力学性能使其成为抗外力防护领域最重要的材料之一。
剪切增稠流体（Shear Thickening Fluid，STF）是由纳米粒子分散在高聚物中或长链高分子聚合而形成的一种混合流体，由于纳米粒子能自由运动，因此STF呈液态；当受到迅猛的外来剪切应力时，体系黏度骤增，受力区域呈类固态，极大地损耗了外来应力的能量。当外力撤去后，体系状态逐渐恢复，表现出可逆性质。剪切增稠材料是一种新型功能材料，优异的力学性能使其成为抗外力防护领域最重要的材料之一。
纳米粒子／聚合物悬浮体系
这类剪切增稠液是一种具有特殊性能的悬浮体系，主要由纳米至微米量级颗粒的分散相和分散介质组成。分散相粒子可分为天然存在的矿物质和化学合成的聚合物，如二氧化硅、碳酸钙、聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等。目前，针对此类体系的制备及性能研究工作在整个剪切增稠材料的研究领域所占比重较大。
高分子溶液体系
疏水缔合高分子在具有剪切增稠性质的高分子体系中，最常见和最具有代表性的是疏水缔合型高分子。在接触浓度C＊（溶液状与胶状的分界浓度）附近或者以下，疏水基团相互作用缔合在一起，导致高分子链产生分子内或者分子间的聚集，高分子以分子内缔合为主。在剪切流场中，随着剪切速率的增加，高分子链将被拉伸，导致高分子间形成缔合，因此溶液的黏度迅速升高，出现剪切增稠行为。
劣溶剂中的高分子部分劣溶剂虽然缺少疏水性基团，但也存在剪切增稠现象，以分子量极大的劣溶剂为主，如聚苯乙烯的十氢化萘溶液、聚异丁烯和聚环氧乙烷等的乙醇溶液。其剪切增稠机理通常被认为是高分子链单元之间由于碰撞诱导出结构的改变，从而表现出增稠的现象。布朗运动力学模型已经证明，劣溶剂中的高分子链单元碰撞或形成更高级更有序的结构从而产生剪切增稠效果。
主要应用领域
“液体盔甲”
近年来，剪切增稠材料主要应用于软体护具领域，特别是军工领域。美国特拉华州立大学物质研究中心的Wanger教授通过搭配不同组成的剪切增稠液与Kevlar纤维制成复合织物，即“液体盔甲”，并测试了复合织物的防刺性能。实验通过对比4层浸润过2mL EG／SiO2剪切增稠液的Kevlar纤维与10层纯Kevlar纤维的防刺能力，结果表明，前者防刺效果优于后者。
抗冲减震领域根据剪切增稠流体在受到外界冲击力时局部呈类固态，从而吸收冲压能量的特性，其在抗冲减震领域也有着广泛的应用。将剪切增稠材料应用于军队汽车装备的减震器或军工厂机床的减震器等，不仅携带运输便捷，而且很大程度上降低运输生产过程中设备的损耗。
由于剪切增稠材料优异的防护能力与轻便的特性，其在国防、军工、汽车、运输、建筑和体育等领域应用前景光明。然而国内外研究表明，剪切增稠复合材料的制备标准较高，为了保证最低的临界剪切力，使剪切增稠材料作为功能相与基体相更高效的结合，那么其制备工艺尚需进一步优化，表征手段需综合多元化，譬如除了通过稳态扫描和一定频率的振荡扫描研究STF的流变特性外，鉴于STF的应变率敏感性较为显著，研究其在冲击加载条件下的力学响应将更能为材料在防护方面的应用提供指导意义。
此外，作为一种常用的军民两用承载材料，发泡材料强度有待提高，综合剪切增稠材料的特性，如能研发一种具有剪切增稠效果的发泡材料，将实现剪切增稠材料的又一项应用性技术突破。
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