剪切增稠液及其復合織物動態力學行為與數值研究進展

劉璐璐, 謝志浩, 趙振華, 羅 剛, 陳 偉

(1. 南京航空航天大學 能源與動力學院 航空發動機熱環境與熱結構工業和信息化部重點實驗室,南京 210016; 2. 南京航空航天大學 航空航天結構力學及控制全國重點實驗室,南京 210016 )

剪切增稠液(shear thickening fluid, STF)是一種呈濃縮膠質懸浮液狀態的非牛頓流體,又稱“智能液體裝甲”材料[1-2]。在一般穩態狀況下,STF呈現出具有一定黏度的流體性質,而當剪切速率或施加的外力增加時,其黏度也會隨之增加,表現出剪切增稠行為,局部還會出現由液態向固態的轉變(即發生了固態轉變),從而提高了其抵抗外載沖擊的能力[3-4]。剪切增稠過程通常為可逆過程,在剪切速率降低時,組分的黏度也會降低。剪切增稠液在沖擊與振動領域獲得了廣泛的關注[5-7],可應用于人體防護系統[8-9]、緩沖器、減振器[10-11]、空間碎片防護領域等。

過去十年,STF已被廣泛用于Kevlar、Twaron、Dyneema等高性能織物中復合得到防刺和防彈效果優良的輕質材料體系[12-13],在相同的防護效果下可減少織物層數,減輕防護裝備質量。

本文對近年來剪切增稠液及其復合織物動態力學行為與數值仿真方法的研究現狀進行了分析總結, 對剪切增稠液的應用前景和發展趨勢進行了展望,并指出當前存在的一些問題,為進一步深入開展剪切增稠技術研究提供一定的理論指導。

1 剪切增稠機理及流變特性影響因素

1.1 剪切增稠機理

剪切增稠液作為一種非牛頓流體,其流變行為復雜多變。關于剪切增稠機理,Hoffman[14]在1972年提出了有序-無序理論,指出高于臨界剪切速率時,分層的粒子變得無序,由有序到無序的變化引起了黏度的劇烈變化[15]。Bossiss等[16]則認為粒子簇是導致剪切增稠的原因,暨 “粒子簇”理論,如圖1所示,該理論被大量試驗與仿真驗證[17-18],可以很好地解釋連續性剪切增稠體系。

圖1 剪切增稠機理(粒子簇理論)

針對高濃度的非連續剪切增稠體系[19],最近研究者提出了“堵塞”理論[20],認為在高剪切速率下在有限空間內更多粒子相互接觸,導致流體堵塞[21],使流動阻尼急劇增加。Seto等[22]認為粒子間摩擦力是導致堵塞的關鍵因素,該觀點也被分子動力學仿真所證實[23-24]。

1.2 STF流變特性及其影響因素

STF的流變特性普遍使用流變儀進行研究,通常使用臨界剪切速率、增稠率、增稠周期等參數進行描述。STF的流變特性主要受到懸浮液組成的影響,STF一般由分散介質和分散相顆粒組成。相同種分散相粒子的粒徑越大[25]、體積分數越大[26],則STF的臨界剪切速率越小,同時其最大黏度也會隨之增加;Wei等[27]使用球形和不規則形狀的二氧化硅顆粒分散到聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)中設計了兩種 STF。流變學結果表明,在不規則形狀的二氧化硅基 STF 中,剪切增稠可以在較低的剪切速率下發生;然而,球形二氧化硅基STF的增稠范圍更廣,同時發現使用球形二氧化硅形成的STF對Kevlar的彈道性能增強作用更強。Kalman等[28]使用粒徑相近的較硬的二氧化硅顆粒和較軟的聚甲基丙烯酸甲酯顆粒制備了兩種STF,流變性能測試表明聚甲基丙烯酸甲酯顆粒形成的STF越早發生剪切增稠現象且黏度更大。Qin等[29]研究了不同分子量 PEG 形成的 STF 的剪切增稠行為。所有 STF 均顯示出剪切增稠行為,隨著PEG分子量的增加,臨界剪切速率略有下降,臨界剪切黏度增加,剪切增稠區黏度增加。

STF的流變性能除了受到其自身的組分的性質影響之外,還受到外部環境場的顯著影響,其中最典型的外部場為溫度場。由于顆粒與液體之間的氫鍵結合強度在高溫下下降,因此懸浮液的黏度隨著溫度的升高而降低。此外,高溫下顆粒的布朗運動增強,增稠結構由于高溫被擾亂[30]。一方面表現為高溫使得臨界剪切速率滯后[31],這是由于在溫度升高時,粒子間排斥力增加,使得粒子簇的形成需要更高的剪切速率[32-33];另一方面,隨著溫度的增加,增稠周期變長、增稠比降低[34]。程倩倩[35]發現在5～35 ℃內STF均表現出明顯的剪切增稠現象(如圖2所示),且溫度越低,臨界剪切速率越低最高黏度值越高。由以上分析可知,STF的流變特性受到溫度的影響較大,而其在應用時通常處于變化的溫度范圍,如人體防護領域至少應考慮-30°～40°的溫度范圍,航空或航天領域服役時,需考慮更寬的服役環境溫度范圍。因此揭示服役環境溫度范圍內STF力學行為,保障服役周期內的防護作用是剪切增稠液應用的一大挑戰,也是未來應關注的重點。

圖2 不同溫度下懸浮液黏度隨剪切速率變化關系

2 STF動態力學行為及本構模型

2.1 STF動態力學行為

考慮到彈道沖擊、風扇葉片丟失等沖擊領域的應用場景,對STF動態力學行為及本構模型的研究就顯得至關重要。

在沖擊載荷條件下STF會由于沖擊引發增稠,出現明顯的液-固轉變現象,并表現出非線性力學響應。沖擊載荷下STF固態轉變行為是Waitukaitis等[36]提出的理論,如圖3所示,當沖擊桿接觸到液面時,接觸面下的流體在沖擊作用下擠壓流動,固體粒子會相互接觸,在沖擊桿下形成一條“固態”的粒子簇阻塞體,這為進一步揭示STF復合織物抗沖擊性能增強的原因提供了新的研究視角。一方面,STF復合織物在不同速率拉伸、壓縮及剪切載荷以及沖擊載荷作用下,附著在紗線表面及間隙中的STF在高應變率載荷下發生固態轉變,進而影響織物的紗間摩擦特性、力學響應及其抗沖擊性能;另一方面,STF作為影響STF復合織物抗沖擊性能的關鍵因素,很大程度上還受到服役環境溫度影響[37],其固態轉變機制和影響規律更加復雜。因此,引入寬服役環境溫度的需求,更細致地研究溫度對STF固態轉變機織的影響,揭示STF固態轉變機制對織物紗線間摩擦作用和STF復合織物抗沖擊性能之間的關聯,有望從本質上揭示STF復合織物抗沖擊性能增強的主導因素和作用機制,闡明STF復合織物抗沖擊性能增強機理。

圖3 沖擊載荷下STF的固態轉變機制

在低應變率下,往往采用落錘裝置[38-41]開展沖擊試驗。Cheng等[42]研究了不同沖擊物形狀對于STF的能量吸收的影響,發現平頭沖擊物可以獲得更高的沖擊能量,但是其最大穿透深度比錐形沖積物更小;Fu等[43]使用同樣的方法對不同溫度下的STF開展了低速沖擊試驗,結果表明STF的抗沖擊性能隨著溫度的降低而升高。

在高應變率范圍(>103s-1)下,通常采用分離式霍普金森桿(split Hopkinson pressure bar, SHPB)試驗裝置研究STF沖擊壓縮性能[44-45]。Lim等[46-47]討論了SHPB數據分析對于流體試樣的適用性,提出了有效SHPB試驗的試驗件設計準則;Jiang等[48]發現STF的透射能量明顯減小,STF的增稠轉換造成了能量耗散;Asija等[49-50]捕捉了高應變率(105～107s-1)下STF的動態力學行為,從應力-應變行為和沖擊韌性隨質量分數變化規律方面開展了分析,從沖擊韌性、沖擊載荷下的峰值應力等方面研究了STF的抗沖擊能力;Tan等[51]研究了石墨烯添加物對STF高應變率力學行為的影響;Fu等[52]在SHPB試驗中使用高速攝影機,確定了高應變率下STF的應力-應變關系,獲得了STF液體向固體轉變的應變率,并首次獲得了固態STF的模量;Lim等[53]基于SHPB試驗中發現的STF在高應變率壓縮過程中表現出的黏性-黏彈性-塑性變形特征(如圖4所示)以及應力-應變-應變率響應,提出了一種可以精確描述STF力學響應的唯象模型。

圖4 動態壓縮試驗獲得的STF的應力-應變-應變率響應

2.2 STF動態本構模型

(1)

Galindo-Rosales等[55]基于Cross模型[56],提出了剪切增稠流體的分段表觀黏度函數[57],考慮了STF通常表現出的3個特征區域:低剪切速率下的輕微剪切變稀,隨后超過臨界剪切速率后黏度急劇增加,最后在高剪切速率下出現明顯的剪切變稀區域,如式(2)所示

(2)

式中:η0為STF的初始黏度;ηc為臨界剪切速率對應黏度;ηmax為剪切增稠后的最大黏度;γc為臨界剪切速率;γmax為最大黏度對應剪切速率;mi(i=1,2,3)和ni(i=1,2,3)為擬合常數。該函數具有連續導數,適合于數值模擬[58]。

齊佩佩[59]提出一種完全依賴于試驗數據的輸出進行擬合的黏度函數模型,如式(3)所示

(3)

由以上研究可知,目前STF動態本構模型與黏度函數方面尚缺乏有效的方法,同時考慮到構件服役環境溫度的可變性,在STF動態本構模型及黏度函數中如何考慮環境溫度的影響是需要解決的一個關鍵問題。

3 STF復合織物動態力學行為及本構模型研究

盡管已有部分STF動態力學行為與本構模型的研究,STF增強織物在高應變率下力學行為和本構模的研究相對較少。Asija等[60-61]使用SHPB試驗裝置研究了STF復合織物的高應變率力學行為,發現STF主要作用表現為更高的峰值應力、應變率和沖擊韌性;當層間的STF保持為液體時,復合材料表現出性能降低,反之,則表現出性能增強。Lomakin等[62]基于SHPB試驗確定了STF的動態壓縮和剪切性能,發現STF和Kevlar織物的接觸對于增加能量吸收特性起到關鍵作用,該接觸狀態可以使用黏滯摩擦定律描述。Cao等[63]使用SHPB系統開展了STF-Kevlar織物和Kevlar/STF/STG復合織物[64]在高應變率下的動態力學性能研究,分析了STF/Kevlar織物的應變率硬化效應,發現STF主要作用在滑移和變形階段,通過增強織物紗線的摩擦效應,阻止紗線的滑移而起作用。以上研究均聚焦于STF-Kevlar織物的動態壓縮特性。

STF增強織物在實際的彈道沖擊事件中主要承受的是拉伸載荷,目前的研究中大多是把STF增強織物紗線的準靜態拉伸試驗獲得的拉伸楊氏模量和極限強度作為復合織物的本構模型,這種本構模型雖然在預測復合織物的彈道性能方面具有一定效果,但其并沒有考慮紗線在動態拉伸情況下楊氏模量和極限強度的變化。Liu等[65-66]針對STF-Kevlar織物開展了基于分離式霍普金森拉桿(split Hopkinson tensile bar, SHTB)試驗方法的STF-Kevlar織物單纖維束的動態拉伸試驗,掌握了STF對纖維束的彈性模量、應力極限與失效應變的影響規律。此外,Liu等[67]還針對STF-Kevlar織物開展了基于SHTB裝置的動態拉伸試驗,結合準靜態拉伸試驗,掌握了中高應變率下織物的動態力學行為,并擬合的應變率參數。

由以上研究可知,目前僅有少量學者開展了STF復合織物在高應變率下力學行為與動態本構模型的研究,同時在這些研究中均未考慮或忽略了環境因素的影響。

4 STF復合織物的抗沖擊性能

4.1 STF復合織物抗沖擊性能的關鍵影響因素

對STF復合織物的抗沖擊性能相關工作是以關鍵影響因素的研究為主,目前認為STF復合織物抗沖擊性能的影響因素主要包括3個方面:

(1)STF的組成及其流變特性[68-69],主要包括顆粒尺寸[70]、顆粒形狀、顆粒處理工藝[71]、納米顆粒質量分數[72-73]、溫度和分散介質[74]。Afeshejani等[75]研究了純STF的能量吸收特性,發現在當沖擊速度接近臨界剪切速率時,能量吸收性能最好。Liu 等[76]開展了具有明顯流變性能差異的STF增強Kevlar織物的高速沖擊試驗,提出當沖擊工況的剪切速率接近其剪切增稠區間時,可以起到較好的增強效果。Liu等[77]發現加入碳納米管、石墨烯等第三相,形成多分散相STF時,對提高織物抗沖擊性能有更好的效果。

(2)織物浸漬STF過程的工藝過程及參數。Majumdar等[78-79]研究了浸軋壓力對沖擊能量吸收的影響,提出了一種新的兩段式STF順序浸漬方法,相比于一段式浸漬方法可以提高24.4%的能量吸收。

(3)織物結構參數和纖維類型,包括織物密度、沖擊位置[80]、織物組織結構[81]、紗線線密度[82]、鋪層角度[83]和縫合。通常高機織密度和多層織物可以優化STF復合織物的抗沖擊能力。

4.2 STF對織物抗沖擊性能的增強機理

STF對于織物抗沖擊性能的增強機理是相關研究中關注的核心問題。目前普遍認為STF增強了織物紗線間摩擦作用,使得織物像整體結構,更多紗線參與承載,從而增強了織物的抗沖擊性能。而最新觀點[84]則認為STF剪切增稠行為對于織物抗沖擊性能的增強起到決定性作用;這一觀點與傳統的認知存在較大的差異,雖有試驗論據,但其研究未能進一步從本質上闡明STF剪切增稠行為對織物抗沖擊性能增強的作用機制。

STF對織物抗沖擊性能的增強機理被認為相關研究的關鍵問題。紗線間摩擦作用的增加一直被認為在STF復合織物的沖擊事件中起到主要作用[85-86]。增強的紗線間摩擦可以使得織物像整體結構一樣響應,使得織物可以充分參與沖擊載荷承受和能量吸收[87]。

織物紗間摩擦行為廣泛采用單根紗線的拔出試驗進行表征[88-90](如圖5所示)。紗線拔出試驗結果表明,STF處理織物有最高的拔出力,大概是純織物的3倍[91]。Chu等[92]的研究發現,在使用STF處理后,織物的紗線間摩擦因數相比純織物提高超過54%。Talreja等[93]發現由于STF在織物中的分布特性,STF擁有更大的紗線拔出力和更好的沖擊能量吸收特性。Liu等[65]揭示了STF的流變特性對STF-Kevlar織物動態拉伸特性和紗間摩擦特性的影響機制,獲得了STF-Kevlar織物的高速沖擊破壞特征與能量吸收機理,但未能進一步闡明沖擊載荷作用下STF固態轉變機制對織物抗沖擊性能的增強機理是何種因素起主導作用。

圖5 紗線拔出試驗原理及典型結果

織物的像框剪切試驗是一種使用像框夾具,研究織物剪切力與剪切角度關系的試驗方法,如圖6所示[94],由于織物剪切變形過程中,主要受到紗間摩擦特性的影響,因此織物剪切力學行為也可作為紗間摩擦特性的表征[95]。Na等[96]在織物水平上開展了STF復合織物的像框剪切試驗,研究了STF復合織物的率相關性,發現STF復合織物的剪切剛度具有率敏感性。Liu等發現多分散相STF-Kevlar織物的剪切剛度遠大于純Kevlar織物,STF的剪切增稠行為和固態轉變對于剪切率敏感性起主要作用。

圖6 織物像框剪切試驗方法

在紗線摩擦特性之外,STF的內在剪切增稠行為是否起到決定性作用一直是學術界存在不同觀點的問題。2019年Mawkhlieng等[84]研究了單分散相和雙分散相STF,發現盡管紗線拔出力并沒有明顯區別,使用單分散相STF處理的織物在低速沖擊試驗中表現出增強的性能。該研究確定了STF的剪切增稠效應對于增強效果的主導作用,但尚未揭示STF復合織物抗沖擊性能增強的作用機制。此外,以上針對STF復合織物的抗沖擊性能的研究中,均未考慮或忽略了外部環境溫度的影響。

關于環境溫度影響的研究,近兩年有少數學者針對溫度對紗間摩擦特性影響開展了工作。Wang等開展了-15～35 ℃內對STF復合織物的紗間摩擦特性影響的研究;Li 等[97]在20～50 ℃內開展了STF-Kevlar織物的紗線拔出試驗,發現具有更多羥基和更長分子鏈的STF可以降低溫度提高的負面作用;Qin等[98]發現隨著溫度從50 ℃降低到-50 ℃,STF最大黏度增加,且纖維之間的摩擦力增強。

Xie等[99]考慮了航空發動機機匣的工作溫度,研究了-50～100 ℃內STF流變特性、STF浸漬Kevlar織物的像框剪切性能與抗沖擊性能,結果表明,溫度對STF 的流變性能有顯著影響,特別是在低溫環境下,STF 的黏度極大,臨界剪切速率極小;與室溫(20 ℃)相比,織物在高溫和低溫下的剪切性能和抗沖擊性能均有所下降;在-50 ℃和100 ℃的溫度下,彈道極限速度分別下降到室溫時的 62.6%和84.2%。

由以上研究可知,環境溫度對紗間摩擦特性和抗沖擊性能具有顯著影響,但目前影響規律及機理尚不清楚,需要進一步開展深入研究。

5 STF增強織物抗沖擊性能的數值分析方法研究

近年來的研究中,數值仿真方法已經被應用于評估織物的抗沖擊性能,并且被延伸至STF復合織物領域[100-101]。

5.1 細觀有限元分析方法

目前開展的數值仿真研究大多是基于織物的細觀有限元模型,將STF的作用簡化為對織物紗間摩擦特性的增加[102-103]。Gürgen等[104]通過引入試驗獲得的摩擦效應,發展了STF復合織物的細觀有限元仿真模型(如圖7所示),與試驗結果相比,在靶板變形、彈體殘余速度等方面都取得了良好的吻合性;Khodadadi等[105]的數值仿真分析也證明了STF-Kevlar織物摩擦作用的增加,可以限制了織物在受到沖擊時紗線的移動[106],從而導致了其抗沖擊性能的增加。Kordani 等[107]開展了紗線拔出試驗和單根紗線拉伸試驗,確定了紗間摩擦因數和單根纖維的力學性能,并用于顯式動力學模型中。Liu等[65]改進了上述細觀有限元方法,認為STF造成的影響一方面改變了紗間摩擦特性,另一方面紗線內STF也會改變纖維束的力學行為,并基于纖維束的準靜態/動態拉伸試驗結果進行描述。

圖7 STF復合織物高速沖擊細觀有限元模型

Park等[108]針對STF-Kevlar織物高速沖擊的數值仿真研究則發現能量吸收與沖擊速度的關系具有相反的趨勢,表明將STF的作用簡化為摩擦特性影響的假設并不足以充分解釋STF復合織物抗沖擊性能的影響機制。Mawkhlieng等也揭示了STF的剪切增稠效應是影響STF復合織物高速沖擊特性的重要因素,因此以上僅考慮STF對紗間摩擦特性影響的數值仿真方法無法有效揭示STF對織物的作用機理。此外,上述研究對紗間摩擦特性的描述,還是采用傳統的庫倫摩擦定律,僅以常數形式的靜/動摩擦因數,或不同階段采用不同的摩擦因數開展仿真研究。而實際上,由于STF獨特的增稠效應,STF增強織物的紗間摩擦特隨STF載荷速率而變化,且受到STF流變特性與固態轉變行為的影響,亟需結合STF流變模型與參數建立速率相關的動態摩擦本構關系。

5.2 宏觀有限元分析方法

根據美國聯邦航空管理局(FAA)對纖維織物進行的準靜態、動態和彈道沖擊試驗,斯坦福研究所(SRI)總結并提出了纖維織物的宏觀連續模型。Rajan等[109]開發并改進了該數值模型,該模型作為第214號材料模型*MAT_DRY_FABRIC被納入LS-DYNA。宏觀模型將織物簡化為正交各向異性連續體模型,通過單軸拉伸試驗表征織物的破壞模式同時該模型在彈道沖擊數值模擬中精度高,計算成本低。基于上述的宏觀模型,Liu等[110]首次開展了多分散相STF-Kevlar織物的抗沖擊性能數值仿真分析。以織物力學性能的研究為基礎,對純Kevlar及多分散相STF-Kevlar織物準靜態拉伸試驗及像框剪切試驗分別進行分段線性擬合,基于動態拉伸試驗擬合應變率參數,構建了織物的動態本構模型并對其進行驗證,結合空氣炮打靶進行了試驗驗證(如圖8所示),并開展了驗證試驗。結果表明仿真沖擊過程及能量變化與試驗較吻合。該方法可以綜合考慮STF對織物宏觀力學行為的影響,適用于工程應用。

圖8 STF-Kevlar織物的宏觀數值仿真預測與試驗對比

5.3 流固耦合分析方法

STF復合織物的復雜動力學響應主要來源于STF獨特的剪切增稠現象及相變行為,因此將STF視為流體(歐拉網格),織物視為固體(拉格朗日網格)的流固耦合分析方法在近年來開始受到關注。Rabb等[111]針對STF復合織物發展了一種混合顆粒-單元的計算方法,能夠捕捉了復雜多層織物的動力學特性。在顯式動力學仿真中,流體的本構模型結合狀態方程來描述其在變形過程中的力學特性,Petel[112]通過單軸動態壓縮試驗的方法獲得了STF的狀態方程描述參數,這為后續的研究者們進行STF浸漬織物的流固耦合分析提供了可能。Lu等[113]基于經編間隔織物細觀幾何結構,建立了STF增強織物的有限元模型,其中STF使用歐拉網格創建,使用分段線性的指數模型描述其流體黏性,發現STF與纖維束間的耦合效應是復合材料緩沖行為的關鍵影響因素。Sen等[114]使用ABAQUS軟件中的任意歐拉-拉格朗日(Coupled Euler-Lagrange,CEL)算法(如圖9所示)來研究STF-Kevlar織物的彈道沖擊特性,將STF的黏度設定為恒定的常數,分析了沖擊響應和STF特性的關系;李聃陽[115]基于ABAQUS中的CEL方法對STF-Kevlar的準靜態穿刺進行了數值仿真,并發現流固耦合模型的數值仿真結果與試驗結果吻合較好。Zhang等[116]在ANSYS/LS-DYNA中基于ALE算法建立了STF浸漬聚乙烯纖維復合材料的數值模型,并從能量吸收的角度進行了驗證。以上分析可知,基于流固耦合模型的STF復合織物的數值仿真方法具有可以精確描述STF力學響應、揭示STF增強機理的優點,具有較好的應用前景,但目前對于該種數值仿真方法的研究還處于起步階段,同時上述數值仿真方法均未考慮STF-Kevlar織物服役環境溫度的影響。

圖9 歐拉-拉格朗日耦合方法分析步驟

6 結 論

綜上所述,STF及其復合織物的力學行為與數值仿真方法已經成為研究的熱點。未來面臨的主要挑戰包括:

(1) STF獨特的剪切增稠機制是其增強織物抗沖擊性能的關鍵因素,因此進一步明晰STF固態轉變機制對STF動態本構模型、紗間摩擦本構模型及STF-Kevlar織物抗沖擊能力增強機理的影響是進一步揭示STF復合織物抗沖擊性能增強機理需攻克的瓶頸問題。

(2)由于STF的流變特性受環境溫度的影響十分明顯,因此在傳統STF增強織物抗沖擊性能的研究基礎上考慮環境溫度影響所帶來的復雜性,聚焦環境溫度影響下STF的固態轉變機制,并進一步揭示寬服役環境溫度下STF對STF-Kevlar織物抗沖擊性能的增強機理,探究寬服役環境溫度下STF-Kevlar織物抗沖擊性能的表現和適用性將使得這一問題的研究成為一項極具的創新性和挑戰性的工作。

(3)在數值分析方法方面,在進一步明晰STF固態轉變機制的基礎上,結合精確的STF動態本構模型和考慮固態轉變機制的紗間摩擦本構模型,發展出STF-Kevlar織物抗沖擊理論和高精度流固耦合數值分析方法,為其在工業領域的應用奠定堅實的理論基礎,并提供分析手段和方法。