淺談剪切增稠液研究進展及應用

李錦坤，高 翔，尹國磊

（1.湖北航天技術研究院計量測試技術研究所，湖北 孝感 432100；2.南京理工大學 化工學院，江蘇 南京 210000）

1 剪切增稠效應概述

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

式中：η被定義為液體的黏度，單位為Pa·s。

1938年，剪切增稠效應被Freundlich[1]在硬球分散液實驗中首次發現之后，在多種懸浮液（由分散劑和分散介質組成的懸浮液體系）中被廣泛發現[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，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的增稠機理

STF從首次被研制至今，學者們對其發生機理進行了廣泛的研究，但是尚無統一定論。目前，被廣泛接受的關于剪切增稠的發生機理有3種。第一種是Hoffman[4]提出的有序-無序轉變機理（Order Disorder Transition，ODT）；第二種是Brady等[5]提出的粒子簇（Hydrocluster）生成機理；第三種是近年來為了解釋一類高性能STF所提出的“Jamming”機理[6]。由納米級的分散相粒子和分散介質構成的膠體體系的STF往往由ODT機理和粒子簇機理解釋，分散相粒子、分散介質、溫度都是影響其剪切增稠效應的因素。早期，研究人員的關注點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，一類性能更加優異的STF逐漸進入研究人員的視野，并且越來越受到研究人員的關注。非連續性剪切增稠液（Discontinuous Shear Thickening Fluid，DSTF），非連續性表現在：當施加外力使剪切速率達到一定值時，其黏度η呈現幾個數量級的大幅度躍遷（Jumping），增稠液由液態瞬時轉變為類固態，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、最具有應用潛力同時展現出卓越的剪切增稠性的體系是水淀粉（CS）體系。

由于CS體系獨特而卓越的性能，很多學者和研究人員研究了這種神奇的流-固轉化現象。早期，研究人員試圖使用“Hydrocluster”機理來解釋DSTF行為，當體系中分散相顆粒的體積分數逐漸增大時，在受到剪切力的情況下，形成的“粒子簇”會越來越大，最終導致類固體行為。但是，粒子簇理論無法解釋DSTF的非連續特性，同時，使用基于“粒子簇”理論的數學模型無法模擬出這種類固體行為，在理論上對粒子簇理論進行了否定。大量學者經過不懈的研究認為，“Jamming”機理才是DSTF發生的真正機理。

4 STF在動力響應材料方面的研究及應用現狀

鑒于STF優異的動力響應效果，研究人員首先將其應用在個體防護領域。美國學者Lee等[7]于2002年首先制備出可應用于個人防護的液體防彈衣，該防護材料將STF和Kevlar纖維織物結合，研究者在STF中使用的分散介質為PEG和EG，結果表明：使用PEG作為分散介質的STF具有較優異的防護效果和抗彈道性能，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，制備了一種新型STF，并且將這種STF與Twaron纖維織物進行復合，結果表明：經過STF浸漬復合后，Twaron纖維的抗彈防護性能得到了提高。國內的Gong等[9]也制備并研究了 STF-Kevlar復合材料，并且對該材料的防刀割和防刺性能進行了測試，解釋了防護機理，研究發現：STF-Kevlar材料的防護性能比單純的Kevlar纖維更優異，并且認為是STF形成的“Hydrocluster”導致Kevlar纖維之間的摩擦增大，從而提高了防護性能。

對于DSTF體系，目前的研究主要還是集中于機理的探索和討論，將其應用于個體防護領域并且制備出可穿戴成品的報道還比較少見，這主要是由于DSTF的分散相為微米級非布朗顆粒懸浮液，穩定性較差，顆粒尺寸較大，無法用來加強Kevlar等纖維材料，并且由于其本身是流體材料，不易封裝。報道中，Herrera等[10]使用55%的水淀粉DSTF作為主防護材料，使用PVC加強軟管作為模板，制備了一種基于DSTF的護具。該護具主要應用于交通事故中人體的脖頸防護，在受到沖擊時，水淀粉DSTF能夠吸收大部分能量，大幅度減小事故對人體脖頸處的沖擊。

5 總結與展望

作為一種神奇的功能性材料，基于ODT機理和粒子簇機理的膠體體系的STF，已經得到了研究人員較為深入的研究，并且已經開展了較為廣泛的功能性應用。但是另一類剪切增稠性能更好的DSTF，增稠機理仍然有待科研工作者的挖掘和論證，功能性應用尚處于起步階段。如果能夠實現DSTF的功能性應用，相信能夠在多個領域尤其是個體防護領域發揮重要作用。