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剪切增稠流體材料，抗外力防護的能手

2017-07-04 14:19:49 作者：本網整理來源：中國粉體網分享至：

導讀

在剪切增稠材料是一種新型功能材料，優異的力學性能使其成為抗外力防護領域最重要的材料之一。

剪切增稠流體（Shear Thickening Fluid，STF）是由納米粒子分散在高聚物中或長鏈高分子聚合而形成的一種混合流體，由于納米粒子能自由運動，因此STF呈液態；當受到迅猛的外來剪切應力時，體系黏度驟增，受力區域呈類固態，極大地損耗了外來應力的能量。當外力撤去后，體系狀態逐漸恢復，表現出可逆性質。剪切增稠材料是一種新型功能材料，優異的力學性能使其成為抗外力防護領域最重要的材料之一。

納米粒子／聚合物懸浮體系

這類剪切增稠液是一種具有特殊性能的懸浮體系，主要由納米至微米量級顆粒的分散相和分散介質組成。分散相粒子可分為天然存在的礦物質和化學合成的聚合物，如二氧化硅、碳酸鈣、聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等。目前，針對此類體系的制備及性能研究工作在整個剪切增稠材料的研究領域所占比重較大。

高分子溶液體系

疏水締合高分子在具有剪切增稠性質的高分子體系中，最常見和最具有代表性的是疏水締合型高分子。在接觸濃度C＊（溶液狀與膠狀的分界濃度）附近或者以下，疏水基團相互作用締合在一起，導致高分子鏈產生分子內或者分子間的聚集，高分子以分子內締合為主。在剪切流場中，隨著剪切速率的增加，高分子鏈將被拉伸，導致高分子間形成締合，因此溶液的黏度迅速升高，出現剪切增稠行為。

劣溶劑中的高分子部分劣溶劑雖然缺少疏水性基團，但也存在剪切增稠現象，以分子量極大的劣溶劑為主，如聚苯乙烯的十氫化萘溶液、聚異丁烯和聚環氧乙烷等的乙醇溶液。其剪切增稠機理通常被認為是高分子鏈單元之間由于碰撞誘導出結構的改變，從而表現出增稠的現象。布朗運動力學模型已經證明，劣溶劑中的高分子鏈單元碰撞或形成更高級更有序的結構從而產生剪切增稠效果。

主要應用領域

“液體盔甲”

近年來，剪切增稠材料主要應用于軟體護具領域，特別是軍工領域。美國特拉華州立大學物質研究中心的Wanger教授通過搭配不同組成的剪切增稠液與Kevlar纖維制成復合織物，即“液體盔甲”，并測試了復合織物的防刺性能。實驗通過對比4層浸潤過2mL EG／SiO2剪切增稠液的Kevlar纖維與10層純Kevlar纖維的防刺能力，結果表明，前者防刺效果優于后者。

抗沖減震領域根據剪切增稠流體在受到外界沖擊力時局部呈類固態，從而吸收沖壓能量的特性，其在抗沖減震領域也有著廣泛的應用。將剪切增稠材料應用于軍隊汽車裝備的減震器或軍工廠機床的減震器等，不僅攜帶運輸便捷，而且很大程度上降低運輸生產過程中設備的損耗。

由于剪切增稠材料優異的防護能力與輕便的特性，其在國防、軍工、汽車、運輸、建筑和體育等領域應用前景光明。然而國內外研究表明，剪切增稠復合材料的制備標準較高，為了保證最低的臨界剪切力，使剪切增稠材料作為功能相與基體相更高效的結合，那么其制備工藝尚需進一步優化，表征手段需綜合多元化，譬如除了通過穩態掃描和一定頻率的振蕩掃描研究STF的流變特性外，鑒于STF的應變率敏感性較為顯著，研究其在沖擊加載條件下的力學響應將更能為材料在防護方面的應用提供指導意義。

此外，作為一種常用的軍民兩用承載材料，發泡材料強度有待提高，綜合剪切增稠材料的特性，如能研發一種具有剪切增稠效果的發泡材料，將實現剪切增稠材料的又一項應用性技術突破。

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責任編輯：殷鵬飛

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