剪切增稠液及其复合织物动态力学行为与数值研究进展

刘璐璐, 谢志浩, 赵振华, 罗 刚, 陈 伟

(1. 南京航空航天大学 能源与动力学院 航空发动机热环境与热结构工业和信息化部重点实验室,南京 210016; 2. 南京航空航天大学 航空航天结构力学及控制全国重点实验室,南京 210016 )

剪切增稠液(shear thickening fluid, STF)是一种呈浓缩胶质悬浮液状态的非牛顿流体,又称“智能液体装甲”材料[1-2]。在一般稳态状况下,STF呈现出具有一定黏度的流体性质,而当剪切速率或施加的外力增加时,其黏度也会随之增加,表现出剪切增稠行为,局部还会出现由液态向固态的转变(即发生了固态转变),从而提高了其抵抗外载冲击的能力[3-4]。剪切增稠过程通常为可逆过程,在剪切速率降低时,组分的黏度也会降低。剪切增稠液在冲击与振动领域获得了广泛的关注[5-7],可应用于人体防护系统[8-9]、缓冲器、减振器[10-11]、空间碎片防护领域等。

过去十年,STF已被广泛用于Kevlar、Twaron、Dyneema等高性能织物中复合得到防刺和防弹效果优良的轻质材料体系[12-13],在相同的防护效果下可减少织物层数,减轻防护装备质量。

本文对近年来剪切增稠液及其复合织物动态力学行为与数值仿真方法的研究现状进行了分析总结, 对剪切增稠液的应用前景和发展趋势进行了展望,并指出当前存在的一些问题,为进一步深入开展剪切增稠技术研究提供一定的理论指导。

1 剪切增稠机理及流变特性影响因素

1.1 剪切增稠机理

剪切增稠液作为一种非牛顿流体,其流变行为复杂多变。关于剪切增稠机理,Hoffman[14]在1972年提出了有序-无序理论,指出高于临界剪切速率时,分层的粒子变得无序,由有序到无序的变化引起了黏度的剧烈变化[15]。Bossiss等[16]则认为粒子簇是导致剪切增稠的原因,暨 “粒子簇”理论,如图1所示,该理论被大量试验与仿真验证[17-18],可以很好地解释连续性剪切增稠体系。

图1 剪切增稠机理(粒子簇理论)

针对高浓度的非连续剪切增稠体系[19],最近研究者提出了“堵塞”理论[20],认为在高剪切速率下在有限空间内更多粒子相互接触,导致流体堵塞[21],使流动阻尼急剧增加。Seto等[22]认为粒子间摩擦力是导致堵塞的关键因素,该观点也被分子动力学仿真所证实[23-24]。

1.2 STF流变特性及其影响因素

STF的流变特性普遍使用流变仪进行研究,通常使用临界剪切速率、增稠率、增稠周期等参数进行描述。STF的流变特性主要受到悬浮液组成的影响,STF一般由分散介质和分散相颗粒组成。相同种分散相粒子的粒径越大[25]、体积分数越大[26],则STF的临界剪切速率越小,同时其最大黏度也会随之增加;Wei等[27]使用球形和不规则形状的二氧化硅颗粒分散到聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)中设计了两种 STF。流变学结果表明,在不规则形状的二氧化硅基 STF 中,剪切增稠可以在较低的剪切速率下发生;然而,球形二氧化硅基STF的增稠范围更广,同时发现使用球形二氧化硅形成的STF对Kevlar的弹道性能增强作用更强。Kalman等[28]使用粒径相近的较硬的二氧化硅颗粒和较软的聚甲基丙烯酸甲酯颗粒制备了两种STF,流变性能测试表明聚甲基丙烯酸甲酯颗粒形成的STF越早发生剪切增稠现象且黏度更大。Qin等[29]研究了不同分子量 PEG 形成的 STF 的剪切增稠行为。所有 STF 均显示出剪切增稠行为,随着PEG分子量的增加,临界剪切速率略有下降,临界剪切黏度增加,剪切增稠区黏度增加。

STF的流变性能除了受到其自身的组分的性质影响之外,还受到外部环境场的显著影响,其中最典型的外部场为温度场。由于颗粒与液体之间的氢键结合强度在高温下下降,因此悬浮液的黏度随着温度的升高而降低。此外,高温下颗粒的布朗运动增强,增稠结构由于高温被扰乱[30]。一方面表现为高温使得临界剪切速率滞后[31],这是由于在温度升高时,粒子间排斥力增加,使得粒子簇的形成需要更高的剪切速率[32-33];另一方面,随着温度的增加,增稠周期变长、增稠比降低[34]。程倩倩[35]发现在5～35 ℃内STF均表现出明显的剪切增稠现象(如图2所示),且温度越低,临界剪切速率越低最高黏度值越高。由以上分析可知,STF的流变特性受到温度的影响较大,而其在应用时通常处于变化的温度范围,如人体防护领域至少应考虑-30°～40°的温度范围,航空或航天领域服役时,需考虑更宽的服役环境温度范围。因此揭示服役环境温度范围内STF力学行为,保障服役周期内的防护作用是剪切增稠液应用的一大挑战,也是未来应关注的重点。

图2 不同温度下悬浮液黏度随剪切速率变化关系

2 STF动态力学行为及本构模型

2.1 STF动态力学行为

考虑到弹道冲击、风扇叶片丢失等冲击领域的应用场景,对STF动态力学行为及本构模型的研究就显得至关重要。

在冲击载荷条件下STF会由于冲击引发增稠,出现明显的液-固转变现象,并表现出非线性力学响应。冲击载荷下STF固态转变行为是Waitukaitis等[36]提出的理论,如图3所示,当冲击杆接触到液面时,接触面下的流体在冲击作用下挤压流动,固体粒子会相互接触,在冲击杆下形成一条“固态”的粒子簇阻塞体,这为进一步揭示STF复合织物抗冲击性能增强的原因提供了新的研究视角。一方面,STF复合织物在不同速率拉伸、压缩及剪切载荷以及冲击载荷作用下,附着在纱线表面及间隙中的STF在高应变率载荷下发生固态转变,进而影响织物的纱间摩擦特性、力学响应及其抗冲击性能;另一方面,STF作为影响STF复合织物抗冲击性能的关键因素,很大程度上还受到服役环境温度影响[37],其固态转变机制和影响规律更加复杂。因此,引入宽服役环境温度的需求,更细致地研究温度对STF固态转变机织的影响,揭示STF固态转变机制对织物纱线间摩擦作用和STF复合织物抗冲击性能之间的关联,有望从本质上揭示STF复合织物抗冲击性能增强的主导因素和作用机制,阐明STF复合织物抗冲击性能增强机理。

图3 冲击载荷下STF的固态转变机制

在低应变率下,往往采用落锤装置[38-41]开展冲击试验。Cheng等[42]研究了不同冲击物形状对于STF的能量吸收的影响,发现平头冲击物可以获得更高的冲击能量,但是其最大穿透深度比锥形冲积物更小;Fu等[43]使用同样的方法对不同温度下的STF开展了低速冲击试验,结果表明STF的抗冲击性能随着温度的降低而升高。

在高应变率范围(>103s-1)下,通常采用分离式霍普金森杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)试验装置研究STF冲击压缩性能[44-45]。Lim等[46-47]讨论了SHPB数据分析对于流体试样的适用性,提出了有效SHPB试验的试验件设计准则;Jiang等[48]发现STF的透射能量明显减小,STF的增稠转换造成了能量耗散;Asija等[49-50]捕捉了高应变率(105～107s-1)下STF的动态力学行为,从应力-应变行为和冲击韧性随质量分数变化规律方面开展了分析,从冲击韧性、冲击载荷下的峰值应力等方面研究了STF的抗冲击能力;Tan等[51]研究了石墨烯添加物对STF高应变率力学行为的影响;Fu等[52]在SHPB试验中使用高速摄影机,确定了高应变率下STF的应力-应变关系,获得了STF液体向固体转变的应变率,并首次获得了固态STF的模量;Lim等[53]基于SHPB试验中发现的STF在高应变率压缩过程中表现出的黏性-黏弹性-塑性变形特征(如图4所示)以及应力-应变-应变率响应,提出了一种可以精确描述STF力学响应的唯象模型。

图4 动态压缩试验获得的STF的应力-应变-应变率响应

2.2 STF动态本构模型

(1)

Galindo-Rosales等[55]基于Cross模型[56],提出了剪切增稠流体的分段表观黏度函数[57],考虑了STF通常表现出的3个特征区域:低剪切速率下的轻微剪切变稀,随后超过临界剪切速率后黏度急剧增加,最后在高剪切速率下出现明显的剪切变稀区域,如式(2)所示

(2)

式中:η0为STF的初始黏度;ηc为临界剪切速率对应黏度;ηmax为剪切增稠后的最大黏度;γc为临界剪切速率;γmax为最大黏度对应剪切速率;mi(i=1,2,3)和ni(i=1,2,3)为拟合常数。该函数具有连续导数,适合于数值模拟[58]。

齐佩佩[59]提出一种完全依赖于试验数据的输出进行拟合的黏度函数模型,如式(3)所示

(3)

由以上研究可知,目前STF动态本构模型与黏度函数方面尚缺乏有效的方法,同时考虑到构件服役环境温度的可变性,在STF动态本构模型及黏度函数中如何考虑环境温度的影响是需要解决的一个关键问题。

3 STF复合织物动态力学行为及本构模型研究

尽管已有部分STF动态力学行为与本构模型的研究,STF增强织物在高应变率下力学行为和本构模的研究相对较少。Asija等[60-61]使用SHPB试验装置研究了STF复合织物的高应变率力学行为,发现STF主要作用表现为更高的峰值应力、应变率和冲击韧性;当层间的STF保持为液体时,复合材料表现出性能降低,反之,则表现出性能增强。Lomakin等[62]基于SHPB试验确定了STF的动态压缩和剪切性能,发现STF和Kevlar织物的接触对于增加能量吸收特性起到关键作用,该接触状态可以使用黏滞摩擦定律描述。Cao等[63]使用SHPB系统开展了STF-Kevlar织物和Kevlar/STF/STG复合织物[64]在高应变率下的动态力学性能研究,分析了STF/Kevlar织物的应变率硬化效应,发现STF主要作用在滑移和变形阶段,通过增强织物纱线的摩擦效应,阻止纱线的滑移而起作用。以上研究均聚焦于STF-Kevlar织物的动态压缩特性。

STF增强织物在实际的弹道冲击事件中主要承受的是拉伸载荷,目前的研究中大多是把STF增强织物纱线的准静态拉伸试验获得的拉伸杨氏模量和极限强度作为复合织物的本构模型,这种本构模型虽然在预测复合织物的弹道性能方面具有一定效果,但其并没有考虑纱线在动态拉伸情况下杨氏模量和极限强度的变化。Liu等[65-66]针对STF-Kevlar织物开展了基于分离式霍普金森拉杆(split Hopkinson tensile bar, SHTB)试验方法的STF-Kevlar织物单纤维束的动态拉伸试验,掌握了STF对纤维束的弹性模量、应力极限与失效应变的影响规律。此外,Liu等[67]还针对STF-Kevlar织物开展了基于SHTB装置的动态拉伸试验,结合准静态拉伸试验,掌握了中高应变率下织物的动态力学行为,并拟合的应变率参数。

由以上研究可知,目前仅有少量学者开展了STF复合织物在高应变率下力学行为与动态本构模型的研究,同时在这些研究中均未考虑或忽略了环境因素的影响。

4 STF复合织物的抗冲击性能

4.1 STF复合织物抗冲击性能的关键影响因素

对STF复合织物的抗冲击性能相关工作是以关键影响因素的研究为主,目前认为STF复合织物抗冲击性能的影响因素主要包括3个方面:

(1)STF的组成及其流变特性[68-69],主要包括颗粒尺寸[70]、颗粒形状、颗粒处理工艺[71]、纳米颗粒质量分数[72-73]、温度和分散介质[74]。Afeshejani等[75]研究了纯STF的能量吸收特性,发现在当冲击速度接近临界剪切速率时,能量吸收性能最好。Liu 等[76]开展了具有明显流变性能差异的STF增强Kevlar织物的高速冲击试验,提出当冲击工况的剪切速率接近其剪切增稠区间时,可以起到较好的增强效果。Liu等[77]发现加入碳纳米管、石墨烯等第三相,形成多分散相STF时,对提高织物抗冲击性能有更好的效果。

(2)织物浸渍STF过程的工艺过程及参数。Majumdar等[78-79]研究了浸轧压力对冲击能量吸收的影响,提出了一种新的两段式STF顺序浸渍方法,相比于一段式浸渍方法可以提高24.4%的能量吸收。

(3)织物结构参数和纤维类型,包括织物密度、冲击位置[80]、织物组织结构[81]、纱线线密度[82]、铺层角度[83]和缝合。通常高机织密度和多层织物可以优化STF复合织物的抗冲击能力。

4.2 STF对织物抗冲击性能的增强机理

STF对于织物抗冲击性能的增强机理是相关研究中关注的核心问题。目前普遍认为STF增强了织物纱线间摩擦作用,使得织物像整体结构,更多纱线参与承载,从而增强了织物的抗冲击性能。而最新观点[84]则认为STF剪切增稠行为对于织物抗冲击性能的增强起到决定性作用;这一观点与传统的认知存在较大的差异,虽有试验论据,但其研究未能进一步从本质上阐明STF剪切增稠行为对织物抗冲击性能增强的作用机制。

STF对织物抗冲击性能的增强机理被认为相关研究的关键问题。纱线间摩擦作用的增加一直被认为在STF复合织物的冲击事件中起到主要作用[85-86]。增强的纱线间摩擦可以使得织物像整体结构一样响应,使得织物可以充分参与冲击载荷承受和能量吸收[87]。

织物纱间摩擦行为广泛采用单根纱线的拔出试验进行表征[88-90](如图5所示)。纱线拔出试验结果表明,STF处理织物有最高的拔出力,大概是纯织物的3倍[91]。Chu等[92]的研究发现,在使用STF处理后,织物的纱线间摩擦因数相比纯织物提高超过54%。Talreja等[93]发现由于STF在织物中的分布特性,STF拥有更大的纱线拔出力和更好的冲击能量吸收特性。Liu等[65]揭示了STF的流变特性对STF-Kevlar织物动态拉伸特性和纱间摩擦特性的影响机制,获得了STF-Kevlar织物的高速冲击破坏特征与能量吸收机理,但未能进一步阐明冲击载荷作用下STF固态转变机制对织物抗冲击性能的增强机理是何种因素起主导作用。

图5 纱线拔出试验原理及典型结果

织物的像框剪切试验是一种使用像框夹具,研究织物剪切力与剪切角度关系的试验方法,如图6所示[94],由于织物剪切变形过程中,主要受到纱间摩擦特性的影响,因此织物剪切力学行为也可作为纱间摩擦特性的表征[95]。Na等[96]在织物水平上开展了STF复合织物的像框剪切试验,研究了STF复合织物的率相关性,发现STF复合织物的剪切刚度具有率敏感性。Liu等发现多分散相STF-Kevlar织物的剪切刚度远大于纯Kevlar织物,STF的剪切增稠行为和固态转变对于剪切率敏感性起主要作用。

图6 织物像框剪切试验方法

在纱线摩擦特性之外,STF的内在剪切增稠行为是否起到决定性作用一直是学术界存在不同观点的问题。2019年Mawkhlieng等[84]研究了单分散相和双分散相STF,发现尽管纱线拔出力并没有明显区别,使用单分散相STF处理的织物在低速冲击试验中表现出增强的性能。该研究确定了STF的剪切增稠效应对于增强效果的主导作用,但尚未揭示STF复合织物抗冲击性能增强的作用机制。此外,以上针对STF复合织物的抗冲击性能的研究中,均未考虑或忽略了外部环境温度的影响。

关于环境温度影响的研究,近两年有少数学者针对温度对纱间摩擦特性影响开展了工作。Wang等开展了-15～35 ℃内对STF复合织物的纱间摩擦特性影响的研究;Li 等[97]在20～50 ℃内开展了STF-Kevlar织物的纱线拔出试验,发现具有更多羟基和更长分子链的STF可以降低温度提高的负面作用;Qin等[98]发现随着温度从50 ℃降低到-50 ℃,STF最大黏度增加,且纤维之间的摩擦力增强。

Xie等[99]考虑了航空发动机机匣的工作温度,研究了-50～100 ℃内STF流变特性、STF浸渍Kevlar织物的像框剪切性能与抗冲击性能,结果表明,温度对STF 的流变性能有显着影响,特别是在低温环境下,STF 的黏度极大,临界剪切速率极小;与室温(20 ℃)相比,织物在高温和低温下的剪切性能和抗冲击性能均有所下降;在-50 ℃和100 ℃的温度下,弹道极限速度分别下降到室温时的 62.6%和84.2%。

由以上研究可知,环境温度对纱间摩擦特性和抗冲击性能具有显著影响,但目前影响规律及机理尚不清楚,需要进一步开展深入研究。

5 STF增强织物抗冲击性能的数值分析方法研究

近年来的研究中,数值仿真方法已经被应用于评估织物的抗冲击性能,并且被延伸至STF复合织物领域[100-101]。

5.1 细观有限元分析方法

目前开展的数值仿真研究大多是基于织物的细观有限元模型,将STF的作用简化为对织物纱间摩擦特性的增加[102-103]。Gürgen等[104]通过引入试验获得的摩擦效应,发展了STF复合织物的细观有限元仿真模型(如图7所示),与试验结果相比,在靶板变形、弹体残余速度等方面都取得了良好的吻合性;Khodadadi等[105]的数值仿真分析也证明了STF-Kevlar织物摩擦作用的增加,可以限制了织物在受到冲击时纱线的移动[106],从而导致了其抗冲击性能的增加。Kordani 等[107]开展了纱线拔出试验和单根纱线拉伸试验,确定了纱间摩擦因数和单根纤维的力学性能,并用于显式动力学模型中。Liu等[65]改进了上述细观有限元方法,认为STF造成的影响一方面改变了纱间摩擦特性,另一方面纱线内STF也会改变纤维束的力学行为,并基于纤维束的准静态/动态拉伸试验结果进行描述。

图7 STF复合织物高速冲击细观有限元模型

Park等[108]针对STF-Kevlar织物高速冲击的数值仿真研究则发现能量吸收与冲击速度的关系具有相反的趋势,表明将STF的作用简化为摩擦特性影响的假设并不足以充分解释STF复合织物抗冲击性能的影响机制。Mawkhlieng等也揭示了STF的剪切增稠效应是影响STF复合织物高速冲击特性的重要因素,因此以上仅考虑STF对纱间摩擦特性影响的数值仿真方法无法有效揭示STF对织物的作用机理。此外,上述研究对纱间摩擦特性的描述,还是采用传统的库伦摩擦定律,仅以常数形式的静/动摩擦因数,或不同阶段采用不同的摩擦因数开展仿真研究。而实际上,由于STF独特的增稠效应,STF增强织物的纱间摩擦特随STF载荷速率而变化,且受到STF流变特性与固态转变行为的影响,亟需结合STF流变模型与参数建立速率相关的动态摩擦本构关系。

5.2 宏观有限元分析方法

根据美国联邦航空管理局(FAA)对纤维织物进行的准静态、动态和弹道冲击试验,斯坦福研究所(SRI)总结并提出了纤维织物的宏观连续模型。Rajan等[109]开发并改进了该数值模型,该模型作为第214号材料模型*MAT_DRY_FABRIC被纳入LS-DYNA。宏观模型将织物简化为正交各向异性连续体模型,通过单轴拉伸试验表征织物的破坏模式同时该模型在弹道冲击数值模拟中精度高,计算成本低。基于上述的宏观模型,Liu等[110]首次开展了多分散相STF-Kevlar织物的抗冲击性能数值仿真分析。以织物力学性能的研究为基础,对纯Kevlar及多分散相STF-Kevlar织物准静态拉伸试验及像框剪切试验分别进行分段线性拟合,基于动态拉伸试验拟合应变率参数,构建了织物的动态本构模型并对其进行验证,结合空气炮打靶进行了试验验证(如图8所示),并开展了验证试验。结果表明仿真冲击过程及能量变化与试验较吻合。该方法可以综合考虑STF对织物宏观力学行为的影响,适用于工程应用。

图8 STF-Kevlar织物的宏观数值仿真预测与试验对比

5.3 流固耦合分析方法

STF复合织物的复杂动力学响应主要来源于STF独特的剪切增稠现象及相变行为,因此将STF视为流体(欧拉网格),织物视为固体(拉格朗日网格)的流固耦合分析方法在近年来开始受到关注。Rabb等[111]针对STF复合织物发展了一种混合颗粒-单元的计算方法,能够捕捉了复杂多层织物的动力学特性。在显式动力学仿真中,流体的本构模型结合状态方程来描述其在变形过程中的力学特性,Petel[112]通过单轴动态压缩试验的方法获得了STF的状态方程描述参数,这为后续的研究者们进行STF浸渍织物的流固耦合分析提供了可能。Lu等[113]基于经编间隔织物细观几何结构,建立了STF增强织物的有限元模型,其中STF使用欧拉网格创建,使用分段线性的指数模型描述其流体黏性,发现STF与纤维束间的耦合效应是复合材料缓冲行为的关键影响因素。Sen等[114]使用ABAQUS软件中的任意欧拉-拉格朗日(Coupled Euler-Lagrange,CEL)算法(如图9所示)来研究STF-Kevlar织物的弹道冲击特性,将STF的黏度设定为恒定的常数,分析了冲击响应和STF特性的关系;李聃阳[115]基于ABAQUS中的CEL方法对STF-Kevlar的准静态穿刺进行了数值仿真,并发现流固耦合模型的数值仿真结果与试验结果吻合较好。Zhang等[116]在ANSYS/LS-DYNA中基于ALE算法建立了STF浸渍聚乙烯纤维复合材料的数值模型,并从能量吸收的角度进行了验证。以上分析可知,基于流固耦合模型的STF复合织物的数值仿真方法具有可以精确描述STF力学响应、揭示STF增强机理的优点,具有较好的应用前景,但目前对于该种数值仿真方法的研究还处于起步阶段,同时上述数值仿真方法均未考虑STF-Kevlar织物服役环境温度的影响。

图9 欧拉-拉格朗日耦合方法分析步骤

6 结 论

综上所述,STF及其复合织物的力学行为与数值仿真方法已经成为研究的热点。未来面临的主要挑战包括:

(1) STF独特的剪切增稠机制是其增强织物抗冲击性能的关键因素,因此进一步明晰STF固态转变机制对STF动态本构模型、纱间摩擦本构模型及STF-Kevlar织物抗冲击能力增强机理的影响是进一步揭示STF复合织物抗冲击性能增强机理需攻克的瓶颈问题。

(2)由于STF的流变特性受环境温度的影响十分明显,因此在传统STF增强织物抗冲击性能的研究基础上考虑环境温度影响所带来的复杂性,聚焦环境温度影响下STF的固态转变机制,并进一步揭示宽服役环境温度下STF对STF-Kevlar织物抗冲击性能的增强机理,探究宽服役环境温度下STF-Kevlar织物抗冲击性能的表现和适用性将使得这一问题的研究成为一项极具的创新性和挑战性的工作。

(3)在数值分析方法方面,在进一步明晰STF固态转变机制的基础上,结合精确的STF动态本构模型和考虑固态转变机制的纱间摩擦本构模型,发展出STF-Kevlar织物抗冲击理论和高精度流固耦合数值分析方法,为其在工业领域的应用奠定坚实的理论基础,并提供分析手段和方法。