剪切增稠

体系粘度随着剪切速率或剪切应力的增加展现出个数量级增加的非牛顿流体行为

常见的流体如水、石油等，在温度、气压等外界因素不变的情况下，粘度不随剪切速率变化而变化，这种流体称为牛顿流体。但我们往往需要某些粘度随剪切速率变化的非牛顿流体来满足我们对工程实际的需求。而一些工程应用比如阻尼器往往需要高效率的能量吸收，此时使用粘度随剪切速率变大的剪切增稠流体效果更好。在所有流体中，剪切增稠流体是较为罕见的类型。

增稠现象

在剪切增稠时有时还伴随有体积胀大，即材料膨胀。糊状聚氯乙烯悬浮液的流动、流动中产生结晶的聚合物熔体均可观察到这种剪切增稠现象。

增稠效应

分类

在英国标准流变术语中，剪切增稠定义为粘度随着剪切速率的增大而增大。值得一提的是，这种现象不同于震凝性，震凝性指得是在恒定剪切速率下粘度随着时间的推移而增大。剪切增稠现象常见于高浓度的纳米或微米级颗粒和牛顿流体组成的悬浮体系中。但是，当改变剪切条件时，这种浓悬浮液同样可以表现出剪切变稀、牛顿等流变行为。因此，我们所研究STF的指的是只要在一定的剪切条件下可以产生剪切增稠效应的流体。颗粒悬浮液为复杂流体，不同的体系或分散相种类，表现出多种不同类型的STF。从剪切应力剪切速率的曲线的几何特征上能对进行分类。

第一种是粘度随着剪切速率缓慢上升，这种剪切增稠现象是由克服颗粒之间作用力，继而形成局部高浓度的粒子簇引起。通常出现在颗粒粒径微米量级以下的胶体浓悬浮液中。第二种，同样是粘度随着剪切速率缓慢上升，相比于上一种STF，体系具有确定的流变行为，这种STF称为连续性剪切增稠液（CST），通常出现在颗粒粒径微米量级以上的非布朗颗粒浓悬浮液中。当体系达到临界剪切速率时，颗粒之间相互接触。此时，悬浮液的流变行为等效于高体积分数下的干颗粒流的流变行为。这种体系表现出剪切增稠现象是由于在高速剪切下，颗粒之间相互碰撞损耗能量引起。第三种，粘度随着剪切速率非连续性上升，体系由液态变为类固态。这种类型STF的称为非连续性剪切增稠液（DST），通常出现于颗粒粒径在微米量级以上的非布朗浓悬浮液或表面具有高分子链的胶体悬浮液中。DST现象的研究是近年来的热点，这种现象与颗粒物理中jamming的现象类似。目前研究人员习惯将DST现象的研究归入软凝聚态物理学。和常见于非布朗颗粒浓悬浮液中，区别两者的关键因素是体系的体积分数。

影响因素

决定剪切变稀和剪切增稠的种类主要因素为颗粒的大小、颗粒之间的作用力、体积分数等。其中颗粒大小影响着布朗运动的显著程度，一般以微米量级为分界点，可以分为胶体悬浮液和非布朗悬浮液。颗粒之间无作用力并且没有沉降的非布朗悬浮液中，在低剪切速率下，出现牛顿流体现象，没有剪切变稀效应。在较高的剪切速率下，当体积分数较小时，体系出现CST；当体积分数较大时，体系出现DST。颗粒具有作用力，那么在低剪切速率下，体系具有屈服应力，从而出现较显著的剪切变稀现象。对于颗粒之间无作用力的胶体悬浮液，在低剪切速率下，由于颗粒的热运动，出现较弱的剪切变稀现象。随着剪切速率的增大，以此出现牛顿流体现象和剪切增稠现象。这种剪切增稠较为不明显。对于颗粒之间有作用力的胶体悬浮液，与颗粒之间无作用的胶体悬浮液的流体状态不变，但是剪切变稀和剪切增调效应更为显著。当颗粒之间的作用力随着剪切速率的增大而增大时，这种体系会出现DST。

胶体颗粒的STF主要由分散相和分散介质组成。目前制备STF的分散相主要包括二氧化硅颗粒、聚氯乙烯颗粒、碳酸钙颗粒、聚甲基丙烯酸甲酯颗粒、碳纳米纤维、二氧化钛颗粒等。在分散介质方面研究人员采用乙二醇等研制STF。影响剪切增稠效应的因素很多，包括颗粒的大小、粒径分布、形状、体积分数，分散介质的粘度、值，温度，添加剂等等。

增稠机理

胶体颗粒体系

在高体积分数的胶体悬浮液中，体系表现出剪切增稠现象，此时该现象可以用粒子簇理论来解释。首先我们讨论体系中两个粒子耦合的情况。在近距离范围内，水动力与颗粒表面间的间距成反比，并且在一个奇点发散。在简单剪切下，如果颗粒之间相互靠近，颗粒的运动轨迹与水动力的相互作用相关。在剪切条件下，颗粒相对于参照颗粒的相对运动。运动轨迹线左右对称，并且分为两个状态：发散的轨迹和闭合的轨迹。当悬浮液在高剪切速率下，颗粒之间相互耦合进入闭合的轨迹，形成粒子簇。此时粒子簇的颗粒浓度较大，当体系受到剪切，消耗的能量增大从而导致粘度上升。

非布朗颗粒

对于高体积分数的非布朗颗粒悬浮液，体系在达到临界剪切速率时，粘度发生阶跃性的，几个数量级地上升，体系甚至由流体变为固体。

应用

剪切增稠现象最初发现于工业或输运过程中，一般是这一类过程需要克服的有害因素。近年来，随着安全防护日益增长的需要，STF作为方便实用的抗冲击材料引起高度重视。美国、英国和新加坡等国均研制出SiO2系列STF、剪切增稠纤维高分子复合材料或胶状抗冲击材料，其抗剌、抗冲击能力较传统防护材料有极大提高。

全国各地天气预报查询

上海市

市辖区

云南省

临沧市

云南省

丽江市

云南省