剪切增稠流体在Kevlar复合材料中的应用研究进展

高强度、高韧性、低密度的凯夫拉(Kevlar)材料在防护领域广泛应用,但直接使用Kevlar织物制备防护材料会使其过于笨重。因此,人们研究了轻质灵活的Kevlar复合材料,使用剪切增稠流体来增强其性能。本综述总结了使用不同分散相和分散介质的剪切增稠流体浸渍Kevlar复合材料的研究进展,旨在为防护材料的后续研究提供思路。

剪切增稠流体对裂隙地层的封堵特性试验研究

裂隙性地层存在的裂缝型漏失通道通常具有多尺度特性和不确定性,钻井液漏失问题在裂隙性地层进行地质钻探施工中尤为突出。剪切增稠流体(Shear Thickening Fluid,STF)作为一种新型智能材料,具备自感知、自适应和自修复等优良特性,目前已在多领域得到广泛应用。本研究将剪切增稠流体作为一种堵漏材料,通过API堵漏仪单缝管封堵试验,探究了剪切增稠流体在不同分散相浓度(56.9vol%、59.2vol%和61.7vol%)、缝宽(1、2、3、4、5 mm)和压力条件下对裂缝的封堵特性。封堵试验结果表明:漏失量会随着缝宽和时间的增加而增加;纳米SiO_(2)浓度在56.9%~61.7%范围内增加时,会降低漏失速率并减弱缝宽对漏失速率的影响程度;当漏失压力为0 MPa时,剪切增稠流体不产生增稠效应,以液态形式从缝内漏失,压力小幅度增加时会激发其增稠效应,产生团聚状颗粒对缝管进行封堵降低漏失速率;当压力进一步增大超过封堵层承压能力时,剪切增稠流体以板状形态被挤出裂缝。研究剪切增稠流体在堵漏领域的应用,有望为裂隙性地层堵漏提供创新解决方案。

剪切增稠幂律流体中单气泡上升动力学行为的格子Boltzmann方法研究

采用不可压非牛顿气液两相流格子Boltzmann方法研究了剪切增稠流体中气泡上升的动力学行为,重点分析了流变指数n、Eoυos数(Eo)和Galilei数(Ga)对气泡形变、终端速度和剪切速率的影响.数值结果表明:气泡形变程度随Eo的增大而增大,n对气泡形状的影响与Ga相关.另一方面,随着Ga增大,气泡终端速度随n呈非线性单调增大,且n对终端速度的影响随Ga的增大逐渐明显;当Ga固定且值较小时,气泡终端速度在较小Eo下随n的增大先增大后减小,而当Eo较大时终端速度随n的增大呈增大趋势;当Ga固定且较大时,气泡终端速度在Eo较大时较为统一地随n增大而增大.此外,气泡左右两端存在剪切速率较高的区域,该区域尺寸随Eo,Ga的增大而增大,随n的增大先增大后缩小.最后利用正交试验法得到上述三变量对剪切速率和终端速度的影响程度.对于剪切速率,参数影响程度由大到小的顺序依次为n,Ga和Eo;对于终端速度,Ga对其影响最大,n次之,Eo影响程度最小.

剪切增稠流体机理、影响因素及其应用

剪切增稠流体是一种黏度随着剪切速率或外加应力的增加而增加的非牛顿流体,因其独特性质在诸多领域有所应用。介绍了纳米粒子/聚合物悬浮体系和高分子溶液体系的剪切增稠机理和相关的各种影响因素,综述了剪切增稠流体的实际应用情况,对现阶段剪切增稠流体的研究和应用进行了评述。

剪切增稠流体增强尼龙纤维织物的防刺性能

研究了SiO2/PEG剪切增稠流体对尼龙纤维织物防刺性能的影响。研究结果表明,固相体积分数为10%的SiO2/PEG 400分散体系,具有典型的剪切增稠特性。经过SiO2/PEG 400剪切增稠流体处理的复合防刺纤维织物的防刺性能优于普通尼龙纤维织物。对纤维织物的显微损伤机制的研究表明,剪切增稠流体使尼龙纤维实现强化粘合,阻止纤维在高能量冲击下产生偏移,从而在纤维之间呈现高效率的能量转移。此类复合防刺纤维织物可用于制造穿着更舒适、防护性能更强的防刺服。

剪切增稠流体浸渍Kevlar复合材料的防刺性能

利用自制落锤式冲击试验装置,该文研究了剪切增稠流体(STF)浸渍Kevlar复合材料防刺性能的瞬态受力响应过程和刺穿深度,以及STF-Kevlar复合材料的吸能机理。实验结果表明,经浸渍的Kevlar织物防刺穿力峰值提高到约400 N,复合材料的第一层受力响应时间缩短到3.5 ms,而刺穿深度降低较小。其中以120 nm SiO2配制的中间浓度的分散体系浸渍后,复合材料的防刺效果最好,防刺穿力提高至约2.7倍,刺穿深度降低了10%左右。

剪切增稠流体在低速冲击防护中的应用研究

剪切增稠流体(Shear thickening fluid,简称STF)更多的是运用在防弹和防刺等方面,在低速冲击方面的应用国内少有报道。从分析剪切增稠流体的性能入手,研究低速冲击对材料与人体的损伤,探讨剪切增稠流体在低速冲击防护上的应用;提出设计冲击防护材料不仅要能吸收和分散冲击能量,而且还应具有缓冲和减震能力;认为STF-复合材料兼有抗冲击防护性能与衣着舒适性,使用其研制低速防护产品具有广阔的应用前景。

含铁剪切增稠流体含浸芳纶复合织物防刺及电磁屏蔽性能研究

为满足屏蔽电磁波干扰的防刺服需求,利用超声波振荡法将分散相粒径为100nm的SiO_2与聚乙二醇(PEG)200配制成剪切增稠液体(STF),利用浸渍法制成STF/芳纶复合织物。在SiO_2质量分数为15%的STF中加入平均粒径为2.75m的Fe粉,制成铁粉质量分数分别为5%、10%、15%和18%的STF-Fe非牛顿流体,研究了SiO_2含量以及Fe粉固含量对复合织物防刺性能以及STF-Fe分散体系对电磁屏蔽的影响。结果表明,复合织物的防刺效果随着SiO_2、Fe含量的增加而增强。SiO_2质量分数大于15%时,复合织物的刀刺载荷明显提高。STF-Fe分散体系可以显著提高芳纶织物的刀刺性能,但效果不如STF。随着SiO_2含量的增加,STF/芳纶复合材料的防刺效果明显提高;在SiO_2质量分数为15%的条件下,随着Fe含量的增加,STF-Fe/芳纶复合织物的锥刺性能明显提高。当STF-Fe分散体系中Fe质量分数达到40%时,电磁屏蔽率可达到90%~99.9%。

剪切增稠流体运用于低速冲击防护的研究

利用剪切增稠流体与芳纶织物进行复合得到STF-芳纶复合材料,通过低速冲击测试平台对STF-芳纶复合材料与多层纯芳纶织物进行低速冲击对比实验。实验结果表明,在相同冲击能量下,纯芳纶织物的隔冲系数和能量吸收率随织物层数的增加而增大;浸渍剪切增稠流体制得的STF-芳纶复合材料与同质量的纯芳纶织物相比,抗低速冲击性能有明显提高,其表面最大冲击力与剩余冲击力小,隔冲系数与能量吸收率大。增加纯芳纶织物层数和采用浸渍剪切增稠流体的复合材料都能提高抗低速冲击性能,后者效果更明显。

基于棒状介孔SiO_2剪切增稠流体的流变行为

以三嵌段共聚物聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯(PEO-PPO-PEO,P123)为模板剂,采用溶胶-凝胶法合成了介孔SiO_2-P123复合物,经煅烧除去P123得到不同长径比的棒状介孔SiO_2粒子,将其分散于聚乙二醇(PEG)中制成剪切增稠流体(STF),利用旋转流变仪对STF的流变性能进行了表征。结果表明:在稳态条件下,STF的剪切增稠效应随介孔SiO_2质量分数的增加而增强,随介孔SiO_2粒子长径比的增加而减弱;在动态条件下,STF的剪切增稠效应随介孔SiO_2质量分数的增加而减弱,随介孔SiO_2粒子长径比的增加而增强。

不同组分配比对剪切增稠抛光流体流变性能的影响

为研究分散相质量分数、磨粒质量分数、磨粒粒径和分散介质种类对分散体系剪切增稠特性的影响,通过四因素三水平正交试验探究了不同组分含量下分散体系的流变性能,并通过极差分析得出各组分对剪切增稠特性的影响规律,最后进行抛光试验验证。结果表明,各组分对剪切增稠特性的影响由大到小依次为分散相质量分数、分散介质种类、磨粒粒径、磨粒质量分数。对于优选的组分配比,分散相质量分数30%、磨粒质量分数23%、磨粒粒径40nm、分散介质WSP200与WSP400复配,其峰值粘度达到临界点粘度的2.49倍。在抛光试验中,抛光液用量为5ml/min,硅片表面粗糙度R a由68nm降至11nm,表明其能以较低的损耗实现硅片的精密抛光。

剪切增稠抛光的材料去除数学模型

提出一种基于非牛顿幂律流体剪切增稠效应的新型抛光方法——剪切增稠抛光(Shear thickening polishing,STP),通过对剪切弹性层理论的研究,推导出剪切增稠抛光中非牛顿幂律流体与工件之间的剪切弹性层最小厚度方程。在此基础上,根据Preston方程,建立加工过程中的材料去除数学模型。当流速U一定时,非牛顿剪切增稠幂律流体相对于牛顿流体或剪切稀化流体能够使得加工获得更高的材料去除率(Material removal rate,MRR),随着黏性指数n的不断增加,MRR会进一步增大。当黏性指数n和稠度系数K分别为2和0.32时,随着U的增大,MRR呈现幂函数增长趋势,说明增大流速,有利于提高加工效率。在STP加工系统上进行f20 mm的GCr15轴承钢圆柱工件的加工试验,经过90 min的STP后,表面粗糙度由R_a 105.95 nm降至R_a 5.99 nm,MRR达到2.1μm/h。MRR理论值与试验值之间的相对误差仅为6.12%,试验结果证明所建MRR模型具有一定的有效性。

基于剪切增稠流体的自动扶梯防逆转装置设计

针对现有自动扶梯防逆转装置仍存在无法有效制动导致自动扶梯逆转事故的安全隐患及制动突然等不足,设计了一种基于剪切增稠流体的自动扶梯防逆转装置。该设计主要由制动机构、变速机构、单向传动机构、固连装置几部分组成。给出了算例,可针对提升高度为6米、倾斜角为30°、链轮直径1m,梯级宽度1.2m的自动扶梯,在6000N/m^2极限载荷、缓降速度1m/s情况下,达到较好的制动效果,并具有制动平缓的优点。本文还对所设计装置的齿轮传动比,等效力矩,转子尺寸等参数进行了计算和详细设计。

基于剪切增稠流体的安全带制动装置创新设计

为提高安全带的舒适性,避免紧急制动时造成二次伤害和磨损,本文设计一种安全带制动装置。基于剪切增稠流体效应使安全带起到制动效果,利用转子圆周面和端面剪切增稠流体提供的阻力进行高效制动,同时缩小体积。依据国标中紧急制动时安全带的速度和拉力,根据运动学、动力学分析,结合对剪切增稠流体粘度-剪切速率曲线的分段化处理,计算出满足要求的转子直径、厚度、转子端面和侧面与壳体的间隙、四个齿轮齿数等关键设计参数。

基于剪切增稠流体应用于共享单车刹车装置的研究

针对共享单车刹车失灵导致骑行者受伤的安全隐患,文章在分析目前常见的刹车种类、对其优缺点进行对比分析之后,提出把剪切增稠流体应用于共享单车刹车装置的设想,并提出创新设计方案,尝试寻找解决办法。

含纳米SiO_2的剪切增稠液的制备及其性能的研究

通过采用极性溶剂聚乙二醇作为分散介质,构成纳米SiO2分散体系,分散体系在高速冲击下,表观粘度发生巨大的变化,由液相转变成固相,将呈现出很强的抗冲击性能,冲击力消除之后,又迅速从固相转变成液相。在剪切速率比较低的时候,粘度随着剪切速率的增加而减小,在达到最低点(即临界点,对应剪切速率为临界剪切速率)之后,粘度开始急剧增大。

剪切增稠液体增强高分子纤维材料融合体育发展研究

剪切增稠液体增强高分子纤维材料是一种固液混合状态的复合材料,能够被广泛应用于各类型体育防护器具制备环节。文章以该类型材料与体育产业的融合发展为主要研究对象,针对剪切增稠液体、剪切增稠液体增强高分子纤维材料的分类、性能优势以及主要作用原理进行分析,对材料在体育领域的主要应用场景进行解读,旨在肯定该类型材料对体育产业发展的价值,为体育产业应用先进材料提供借鉴。

剪切增稠抛光方法的基础研究

如何实现目标工件的高效、高质量、低成本加工是目前精密与超精密加工领域的研究热点。为此，本文提出一种基于非牛顿幂律流体剪切增稠效应的新型加工方法——剪切增稠抛光（Shear—thickening Polishing，STP）：利用抛光液的剪切增稠流变特性达到增强把持磨粒的约束力而形成类似“柔性固着磨具”、增大接触区域面积而具有良好的面形适应性，从而可实现工件表面的高效精密抛光。

剪切增稠抛光方法的基础研究

如何实现目标工件的高效、高质量、低成本加工是目前精密与超精密加工领域的研究热点。为此,本文提出一种基于非牛顿幂律流体剪切增稠效应的新型加工方法——剪切增稠抛光（Shear-thickening polishing,STP）：利用抛光液的剪切增稠流变特性达到增强把持磨粒的约束力而形成类似＂柔性固着磨具＂、增大接触区域面积而具有良好的面形适应性,从而可实现工件表面的高效精密抛光。

剪切增稠液阻尼器抗冲特性研究

剪切增稠液的黏度随剪切速率变大会迅速增大,以剪切增稠液为介质的阻尼器在抗冲设备中具有重要的应用潜力。采用分段幂律流模型描述剪切增稠液本构模型,首先通过建立基于FLUENT的阻尼器计算模型,分析剪切增稠液阻尼器的阻尼力输出特性,获得剪切增稠液流变参数对阻尼力的影响规律;其次建立基于剪切增稠液阻尼器的单自由度非线性系统抗冲计算模型,得到阻尼力特征参数对系统冲击响应的影响规律。研究结果可用于指导剪切增稠液的材料设计。