Дилатантный ( / d aɪ ˈ l eɪ t ə n t / , / d ɪ -/ ) (также называемый утолщением при сдвиге ) материал – это материал, в котором вязкость увеличивается со скоростью деформации сдвига . Такая загущающая при сдвиге жидкость , также известная под инициализмом STF , является примером неньютоновской жидкости . Такое поведение обычно не наблюдается в чистых материалах, но может наблюдаться в суспензиях .
Дилатант — это неньютоновская жидкость , сдвиговая вязкость которой увеличивается с увеличением приложенного напряжения сдвига . Такое поведение является лишь одним из типов отклонения от закона вязкости Ньютона и контролируется такими факторами, как размер, форма и распределение частиц. Свойства этих суспензий зависят от теории Гамакера и сил Ван-дер-Ваальса и могут быть стабилизированы электростатически или стерически. Загущение при сдвиге происходит, когда коллоидная суспензия переходит из стабильного состояния в состояние флокуляции . Большая часть свойств этих систем обусловлена химией поверхности частиц в дисперсии, известных как коллоиды .
Это легко увидеть на примере смеси кукурузного крахмала и воды (иногда называемой ооблек ), которая действует нелогичным образом при ударе или броске на поверхность. Полностью пропитанный водой песок также ведет себя как расширяющий материал — именно поэтому при ходьбе по мокрому песку прямо под ногами появляется сухая область.
Реопектия — это аналогичное свойство, при котором вязкость увеличивается с течением времени при накоплении стресса или волнения. Противоположностью дилатантному материалу является псевдопластик .
В реальных системах наблюдаются два типа отклонений от закона Ньютона. Наиболее распространенным отклонением является поведение утончения при сдвиге, при котором вязкость системы уменьшается по мере увеличения скорости сдвига . Второе отклонение — это загущение при сдвиге, при котором с увеличением скорости сдвига вязкость системы также увеличивается. Такое поведение наблюдается потому, что система кристаллизуется под напряжением и ведет себя скорее как твердое тело, чем как раствор. [1] Таким образом, вязкость жидкости, загущающейся при сдвиге, зависит от скорости сдвига. Наличие взвешенных частиц часто влияет на вязкость раствора. Фактически, с правильными частицами даже ньютоновская жидкость может демонстрировать неньютоновское поведение. Примером этого является кукурузный крахмал в воде, который включен в § Примеры ниже.
Параметрами, которые контролируют поведение загустевания при сдвиге, являются: размер частиц и распределение частиц по размерам, объемная доля частиц, форма частиц, взаимодействие между частицами, вязкость непрерывной фазы, а также тип, скорость и время деформации. В дополнение к этим параметрам все жидкости, загущающие сдвиг, представляют собой стабилизированные суспензии и имеют относительно высокую объемную долю твердого вещества. [2]
Вязкость раствора как функция скорости сдвига определяется степенным уравнением [ 3 ]
Дилатантное поведение возникает, когда n больше 1.
Ниже приведена таблица значений вязкости для некоторых распространенных материалов. [4] [5] [6]
Суспензия состоит из мелкодисперсной фазы, диспергированной в другой гетерогенной фазе . Поведение загустевания при сдвиге наблюдается в системах с твердой фазой частиц, диспергированной в жидкой фазе. Эти растворы отличаются от коллоидов тем, что они нестабильны; твердые частицы в дисперсии достаточно велики для седиментации , что приводит к их осаждению. Тогда как твердые частицы, диспергированные в коллоиде, имеют меньший размер и не оседают. Существует несколько методов стабилизации суспензий, включая электростатику и стерику.
В нестабильной суспензии дисперсная фаза частиц выходит из раствора под действием сил, действующих на частицы, таких как гравитация или притяжение Гамакера. Величина влияния этих сил на вытягивание фазы частиц из раствора пропорциональна размеру частиц; для крупных частиц гравитационные силы больше, чем взаимодействия между частицами, тогда как для мелких частиц верно обратное. Поведение утолщения при сдвиге обычно наблюдается в суспензиях мелких твердых частиц, что указывает на то, что притяжение Гамакера между частицами является доминирующей силой. Следовательно, стабилизация подвески зависит от введения противодействующей силы отталкивания.
Теория Хамакера описывает притяжение между телами, например, частицами. Стало понятно, что объяснение сил Ван-дер-Ваальса можно расширить от объяснения взаимодействия между двумя молекулами с индуцированными диполями до тел макромасштаба путем суммирования всех межмолекулярных сил между телами. Подобно силам Ван-дер-Ваальса, теория Гамакера описывает величину взаимодействия между частицами как обратно пропорциональную квадрату расстояния. Таким образом, многие стабилизированные подвески включают в себя силу отталкивания на большом расстоянии, которая доминирует над притяжением Хамакера, когда взаимодействующие тела находятся на достаточном расстоянии, эффективно предотвращая сближение тел друг с другом. Однако на коротких расстояниях доминирует притяжение Гамакера, вызывающее коагуляцию частиц и выпадение из раствора. Двумя распространенными дальнодействующими силами, используемыми при стабилизации суспензий, являются электростатика и стерика.
Суспензии одинаково заряженных частиц, диспергированные в жидком электролите, стабилизируются за счет эффекта, описываемого моделью двойного слоя Гельмгольца. Модель имеет два слоя. Первый слой — это заряженная поверхность частицы, создающая электростатическое поле, воздействующее на ионы в электролите. В ответ ионы создают диффузный слой с одинаковым и противоположным зарядом, эффективно делая поверхностный заряд нейтральным. Однако диффузный слой создает вокруг частицы потенциал, отличный от потенциала объемного электролита.
Диффузный слой служит дальнодействующей силой стабилизации частиц. Когда частицы находятся рядом друг с другом, диффузный слой одной частицы перекрывается со слоем другой частицы, создавая силу отталкивания. Следующее уравнение определяет энергию между двумя коллоидами в результате взаимодействий Гамакера и электростатического отталкивания.
В отличие от электростатики, стерически стабилизированные суспензии основаны на физическом взаимодействии полимерных цепей, прикрепленных к поверхности частиц, чтобы поддерживать стабилизацию суспензии; Адсорбированные полимерные цепи действуют как прокладка, удерживая взвешенные частицы на достаточном расстоянии друг от друга, чтобы предотвратить доминирование притяжения Гамакера и вытягивание частиц из суспензии. Полимеры обычно либо привиты, либо адсорбированы на поверхности частицы. В привитых полимерах основная цепь полимерной цепи ковалентно связана с поверхностью частицы. Тогда как адсорбированный полимер представляет собой сополимер, состоящий из лиофобной и лиофильной областей, где лиофобная область нековалентно прилипает к поверхности частицы, а лиофильная область образует стерическую границу или спейсер.
Дилатансия в коллоиде, или его способность к упорядочению при наличии сил сдвига, зависит от соотношения сил между частицами. Пока доминируют межчастичные силы, такие как силы Ван-дер-Ваальса , взвешенные частицы остаются упорядоченными слоями. Однако, как только силы сдвига преобладают, частицы переходят в состояние флокуляции и больше не удерживаются во взвешенном состоянии; они начинают вести себя как твердое тело. Когда поперечные силы устраняются, частицы раздвигаются и снова образуют стабильную суспензию.
Поведение при сдвиговом загустевании сильно зависит от объемной доли твердых частиц, взвешенных в жидкости. Чем выше объемная доля, тем меньший сдвиг требуется для инициирования процесса загущения при сдвиге. Скорость сдвига, при которой жидкость переходит от ньютоновского течения к загустеванию при сдвиге, известна как критическая скорость сдвига.
При сдвиге концентрированного стабилизированного раствора при относительно низкой скорости сдвига отталкивающие взаимодействия между частицами удерживают частицы в упорядоченной, слоистой, равновесной структуре. Однако при скоростях сдвига, превышающих критическую скорость сдвига, силы сдвига, сталкивающие частицы вместе, преодолевают отталкивающие взаимодействия между частицами, вынуждая частицы выйти из положений равновесия. Это приводит к неупорядоченной структуре, вызывающей увеличение вязкости. [7]
Критическая скорость сдвига здесь определяется как скорость сдвига, при которой силы сдвига, сталкивающие частицы вместе, эквивалентны взаимодействиям отталкивающих частиц.
Когда частицы стабилизированной суспензии переходят из неподвижного состояния в подвижное, небольшие группы частиц образуют гидрокластеры, увеличивая вязкость. Эти гидрокластеры состоят из частиц, на мгновение сжатых вместе, образующих неправильную, стержнеобразную цепочку частиц, похожую на затор или пробку. Теоретически частицы имеют чрезвычайно малые промежутки между частицами, что делает этот мгновенный переходный гидрокластер несжимаемым. Не исключено, что в результате агрегации будут образовываться дополнительные гидрокластеры. [8]
Кукурузный крахмал — распространенный загуститель, используемый в кулинарии. Это также очень хороший пример системы сгущения сдвигом. Когда к смеси воды и кукурузного крахмала в соотношении 1:1,25 прилагается сила, смесь действует как твердое вещество и сопротивляется силе.
Наночастицы кремнезема диспергированы в растворе полиэтиленгликоля . Частицы кремнезема образуют высокопрочный материал при возникновении флокуляции. Это позволяет использовать его в таких областях, как жидкая бронежилет и тормозные колодки.
Дилатантные материалы имеют определенное промышленное применение из-за их способности к загущению при сдвиге. Например, в некоторых системах полного привода используется вискомуфта, наполненная дилатантной жидкостью, для обеспечения передачи мощности между передними и задними колесами. На дорожном покрытии с высоким сцеплением относительное движение между первичными и вторичными ведущими колесами одинаково, поэтому сдвиг невелик и передается небольшая мощность. Когда ведущие ведущие колеса начинают буксовать, сдвиг увеличивается, в результате чего жидкость загустевает. По мере загустения жидкости крутящий момент , передаваемый на вторичные ведущие колеса, пропорционально увеличивается, пока не будет передано максимальное количество мощности, возможное в полностью загустевшем состоянии. (См. также дифференциал повышенного трения , некоторые типы которого работают по тому же принципу.) Для оператора эта система полностью пассивна: она включает все четыре колеса для движения, когда это необходимо, и переключается обратно на привод на два колеса, когда необходимость отпадает. Эта система обычно используется для дорожных транспортных средств, а не для внедорожников, поскольку максимальная вязкость дилатантной жидкости ограничивает величину крутящего момента, который может передаваться через муфту.
Различные корпоративные и государственные организации исследуют возможность применения загущающих при сдвиге жидкостей для использования в качестве бронежилетов . Такая система могла бы обеспечить владельцу гибкость для нормального диапазона движений, но при этом обеспечить жесткость, чтобы противостоять проколам пулями , колющим ударам ножа и подобным атакам. Принцип аналогичен принципу кольчужной брони, хотя бронежилет с дилатантом будет намного легче. Расширяющая жидкость рассеет силу внезапного удара по более широкой области тела пользователя, уменьшив травму тупым предметом. Однако дилатант не обеспечит никакой дополнительной защиты от медленных атак, таких как медленный, но сильный удар, который позволит произойти потоку. [9]
В одном исследовании стандартную кевларовую ткань сравнивали с композитной броней из кевлара и запатентованной жидкости, загущающей при сдвиге. Результаты показали, что комбинация кевлар/жидкость работает лучше, чем материал из чистого кевлара, несмотря на то, что его толщина составляет менее одной трети толщины кевлара. [9]
Четырьмя примерами расширяющих материалов, используемых в средствах индивидуальной защиты, являются Armourgel, D3O , ArtiLage (пена для искусственного хряща) и «Система активной защиты», производимая Dow Corning . [10]
В 2002 году исследователи из Исследовательской лаборатории армии США и Университета штата Делавэр начали исследование использования жидкой брони или жидкости, загущающей при сдвиге, в бронежилетах. Исследователи продемонстрировали, что высокопрочные ткани, такие как кевлар, можно сделать более пуленепробиваемыми и устойчивыми к ударам, если пропитать их жидкостью. [11] [12] Целью технологии «жидкой брони» является создание нового материала, который был бы дешевым и легким, но при этом обладал бы эквивалентными или превосходящими баллистическими свойствами по сравнению с нынешней кевларовой тканью. [13]
За свою работу над жидкой броней доктор Эрик Ветцель, инженер-механик ARL, и его команда были награждены в 2002 году Премией Пола А. Сайпла, высшей армейской наградой за научные достижения, на Армейской научной конференции. [14]
Компания D3O изобрела неньютоновский материал, который нашел широкую адаптацию в широком спектре стандартных и индивидуальных применений, включая защитное снаряжение для мотоциклов и экстремальных видов спорта, промышленную рабочую одежду, военное применение и защиту от ударов для электроники. Эти материалы обеспечивают гибкость при обычном ношении, но становятся жесткими и защитными при сильном ударе. Хотя некоторые продукты продаются напрямую, большая часть их производственных мощностей уходит на продажу и лицензирование материала другим компаниям для использования в их собственных линиях защитной продукции.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )