基于剪切增稠流体STF试验研究

　　引言

　　剪切增稠是非牛顿流体行为，流体经常成浓缩的胶质悬浮液状，在迅速增加的剪切应力下，黏性有很大的增加，有时是不连续的增加，并且此过程可逆。 这种现象主要归因于液体压力下的粒子刚性结构簇的形成。至今为止，各工业行业对剪切增稠特性还没有化害为利的应用。我们将利用这种现象提高以Kevlar 编织布为基体材料的防护设施的抗发射保护性能。目前，主要针对人体防护设施进行研究。

　　1 、原理

　　剪切增稠流体增稠的一个前提条件是剪切应力的存在。从力学角度讲，剪切应力

　　到此,我们可以阐述剪切增稠另一个前提条件：剪切速率超过剪切增稠流体增稠临界点。对于某种既定的剪切增稠流体来说，此临界点是一个固定的剪切速率值，此值也可以看成是此流体的一个特性参数。只有剪切速率超过流体剪切增稠临界点，流体才会出现剪切增稠现象。

　　2、剪切增稠流体的配制原则

　　2 . 1 分散介质的选择：人体防护用剪切增

　　稠流体溶剂要无毒，稳定不易变质，适应温度范围宽，粘度不能太大，有一定的悬浮能力。

　　2.2 分散相的选择：分散相应选性质稳定，

　　无毒，球化率高，纳米级、粒径分布均一集中，价格相对便宜的惰性材料。

　　2.2.1 粒径选择纳米级的原因：粒径小于1微米的悬浮体是胶体体系，悬浮稳定，不易沉淀。保证流体的悬浮稳定性。

　　2.2.2选球形粒子的原因有三条：⑴ 球形粒子的悬浮体流动性好，增稠后软化速度快，保证下一次冲击时，流体已恢复原状，准备好下一次增稠。如恢复速度慢，受连续冲击时，流体与发射物硬碰硬接 触，分散吸收能量的性能下降，防护设施有可能发生较小范围内的累积破坏，造成防护失效;⑵ 非球形粒子的悬浮体剪切增稠临界点过低，增稠程度差，不是制液体防护设施的理想材料;⑶ 球形粒子容易渗透到 Kevlar的纤维中，增大纤维间的摩擦力。

　　2.2.3 粒径集中程度决定剪切增稠流体增稠程度的大小，直接关系到防护设施的防护能力。

　　3、剪切增稠流体实验研究

　　此次实验中我们制备了两个流体样本。样本 1 为两种粒子的混合。粒子 A 球形，粒径分布如图 1 所示，平均粒径 120 纳米;粒子 B 球形，粒径分布如图 2 所示，平均粒径 1.8 微米。按一定比例混合后，平均粒径 947 纳米。所配制流体悬浮相质量百分比为 7 4 % 。样本 2 为单一粒子 C，30-50 纳米，球形

　　图 3 是样本 1 两种粒子混合 M A L V E R N 电镜照片，放大倍数10000 倍，球化率 90% 以上。图 4 为样本 1 流体用英国 Bolin 锥板流变仪得到的粘度曲线。在剪切速率31/s 时流体开始增稠，101/s 左右，粘度急剧上升，剪切速率151 / s 左右达到最大值 2 4 5 帕·秒。由流变学理论可知，粒径分布越宽，增稠效果越差，因为小粒子会填充大粒子的间隙，不但对增稠毫无意义，反而增大流体浓度，增大密度，浪费材料。从 理论上讲，应该有一个理想的粒径，在体积百分比达到最大敛集率时，同时满足两点：①增稠幅度足够大;②增稠临界点足够高，保证人体正常活动不增稠，而有发 射物冲击时立即增稠。此流体临界剪切速率低，增稠范围较窄，所以只适合于较低防护级别的防护设施。但同一质量百分比浓度的剪切增稠流体，增稠临界点随粒子 直径的增大而降低。所以双峰状态的粒子有一点好处，即当单一粒径的粒子无法用浓度调整的方法得到符合要求的增稠临界点时，可以采取加入不同粒径粒子的方法 来得到所要求的流变参数