浅谈剪切增稠液研究进展及应用

李锦坤，高 翔，尹国磊

（1.湖北航天技术研究院计量测试技术研究所，湖北 孝感 432100；2.南京理工大学 化工学院，江苏 南京 210000）

1 剪切增稠效应概述

黏度又称黏滞系数，是度量流体黏滞性大小的物理量。假设将两块面积为1 m2的平行板浸于液体中，两板间的间距为r。此时，在上板上施加一相应的推力F，由于液体存在黏性，此力将被层层传递，造成各个液层的运动，并且各个液层之间的流动速度会形成一系列的速度梯度，设其为du/dr，称为速度梯度。设A为流体与两板的接触面积，则定义有如下关系式：

式中：η被定义为液体的黏度，单位为Pa·s。

1938年，剪切增稠效应被Freundlich[1]在硬球分散液实验中首次发现之后，在多种悬浮液（由分散剂和分散介质组成的悬浮液体系）中被广泛发现[2]。剪切增稠流体具有黏度η随着剪切速率γ·的增加而增加的特点，随后人们便将这种具有剪切增稠性能的流体称为剪切增稠液（Shear Thickening Fluid，STF）[3]。

2 STF的增稠机理

STF从首次被研制至今，学者们对其发生机理进行了广泛的研究，但是尚无统一定论。目前，被广泛接受的关于剪切增稠的发生机理有3种。第一种是Hoffman[4]提出的有序-无序转变机理（Order Disorder Transition，ODT）；第二种是Brady等[5]提出的粒子簇（Hydrocluster）生成机理；第三种是近年来为了解释一类高性能STF所提出的“Jamming”机理[6]。由纳米级的分散相粒子和分散介质构成的胶体体系的STF往往由ODT机理和粒子簇机理解释，分散相粒子、分散介质、温度都是影响其剪切增稠效应的因素。早期，研究人员的关注点主要集中于胶体体系（STF），并且相继提出了ODT理论和“Hydrocluster”理论来解释这些剪切增稠行为。

3 性能卓越的DSTF

近年来，一类性能更加优异的STF逐渐进入研究人员的视野，并且越来越受到研究人员的关注。非连续性剪切增稠液（Discontinuous Shear Thickening Fluid，DSTF），非连续性表现在：当施加外力使剪切速率达到一定值时，其黏度η呈现几个数量级的大幅度跃迁（Jumping），增稠液由液态瞬时转变为类固态，能够阻挡甚至反弹外力的冲击。这一类非布朗颗粒悬浮液中最出名、最具有应用潜力同时展现出卓越的剪切增稠性的体系是水淀粉（CS）体系。

由于CS体系独特而卓越的性能，很多学者和研究人员研究了这种神奇的流-固转化现象。早期，研究人员试图使用“Hydrocluster”机理来解释DSTF行为，当体系中分散相颗粒的体积分数逐渐增大时，在受到剪切力的情况下，形成的“粒子簇”会越来越大，最终导致类固体行为。但是，粒子簇理论无法解释DSTF的非连续特性，同时，使用基于“粒子簇”理论的数学模型无法模拟出这种类固体行为，在理论上对粒子簇理论进行了否定。大量学者经过不懈的研究认为，“Jamming”机理才是DSTF发生的真正机理。

4 STF在动力响应材料方面的研究及应用现状

鉴于STF优异的动力响应效果，研究人员首先将其应用在个体防护领域。美国学者Lee等[7]于2002年首先制备出可应用于个人防护的液体防弹衣，该防护材料将STF和Kevlar纤维织物结合，研究者在STF中使用的分散介质为PEG和EG，结果表明：使用PEG作为分散介质的STF具有较优异的防护效果和抗弹道性能，而EG的效果则弱一些。新加坡的Tan等[8]使用SiO2作为分散相、水作为分散介质，制备了一种新型STF，并且将这种STF与Twaron纤维织物进行复合，结果表明：经过STF浸渍复合后，Twaron纤维的抗弹防护性能得到了提高。国内的Gong等[9]也制备并研究了 STF-Kevlar复合材料，并且对该材料的防刀割和防刺性能进行了测试，解释了防护机理，研究发现：STF-Kevlar材料的防护性能比单纯的Kevlar纤维更优异，并且认为是STF形成的“Hydrocluster”导致Kevlar纤维之间的摩擦增大，从而提高了防护性能。

对于DSTF体系，目前的研究主要还是集中于机理的探索和讨论，将其应用于个体防护领域并且制备出可穿戴成品的报道还比较少见，这主要是由于DSTF的分散相为微米级非布朗颗粒悬浮液，稳定性较差，颗粒尺寸较大，无法用来加强Kevlar等纤维材料，并且由于其本身是流体材料，不易封装。报道中，Herrera等[10]使用55%的水淀粉DSTF作为主防护材料，使用PVC加强软管作为模板，制备了一种基于DSTF的护具。该护具主要应用于交通事故中人体的脖颈防护，在受到冲击时，水淀粉DSTF能够吸收大部分能量，大幅度减小事故对人体脖颈处的冲击。

5 总结与展望

作为一种神奇的功能性材料，基于ODT机理和粒子簇机理的胶体体系的STF，已经得到了研究人员较为深入的研究，并且已经开展了较为广泛的功能性应用。但是另一类剪切增稠性能更好的DSTF，增稠机理仍然有待科研工作者的挖掘和论证，功能性应用尚处于起步阶段。如果能够实现DSTF的功能性应用，相信能够在多个领域尤其是个体防护领域发挥重要作用。