Дилатант

Материал, в котором вязкость увеличивается со скоростью деформации сдвига

Дилатантный ( / d aɪ ˈ l eɪ t ə n t / , / d ɪ -/ ) (также называемый сдвиговым загустителем ^[1] ) материал - это материал, в котором вязкость увеличивается со скоростью сдвиговой деформации . Такая сдвиговая загустевающая жидкость , также известная как инициализм STF , является примером неньютоновской жидкости . Такое поведение обычно не наблюдается в чистых материалах, но может иметь место в суспензиях .

Дилатант — это неньютоновская жидкость , в которой сдвиговая вязкость увеличивается с приложенным сдвиговым напряжением . Такое поведение является лишь одним из типов отклонения от закона вязкости Ньютона , и оно контролируется такими факторами, как размер частиц, форма и распределение. Свойства этих суспензий зависят от теории Гамакера и сил Ван-дер-Ваальса и могут быть стабилизированы электростатически или стерически. Поведение загустевания при сдвиге происходит, когда коллоидная суспензия переходит из стабильного состояния в состояние флокуляции . Большая часть свойств этих систем обусловлена ​​поверхностной химией частиц в дисперсии, известных как коллоиды .

Это можно легко увидеть на примере смеси кукурузного крахмала и воды (иногда называемой oobleck ), которая ведет себя нелогичным образом при ударе или бросании на поверхность. Песок, полностью пропитанный водой, также ведет себя как дилатантный материал —  вот почему при ходьбе по мокрому песку прямо под ногами появляется сухая область.

Реопектия — это похожее свойство, при котором вязкость увеличивается с накоплением напряжения или перемешивания с течением времени. Противоположностью дилатантного материала является псевдопластичный .

Определения

Существует два типа отклонений от закона Ньютона, которые наблюдаются в реальных системах. Наиболее распространенным отклонением является поведение разжижения при сдвиге, когда вязкость системы уменьшается с увеличением скорости сдвига . Вторым отклонением является поведение загустевания при сдвиге, когда с увеличением скорости сдвига вязкость системы также увеличивается. Такое поведение наблюдается, поскольку система кристаллизуется под напряжением и ведет себя скорее как твердое тело, чем как раствор. ^[2] Таким образом, вязкость жидкости, загустевающей при сдвиге, зависит от скорости сдвига. Наличие взвешенных частиц часто влияет на вязкость раствора. Фактически, при правильных частицах даже ньютоновская жидкость может демонстрировать неньютоновское поведение. Примером этого является кукурузный крахмал в воде, он включен в § Примеры ниже.

Параметры, которые контролируют поведение загустевания при сдвиге, следующие: размер частиц и распределение размеров частиц, объемная доля частиц, форма частиц, взаимодействие частиц между собой, вязкость непрерывной фазы, а также тип, скорость и время деформации. В дополнение к этим параметрам все жидкости загустевания при сдвиге являются стабилизированными суспензиями и имеют относительно высокую объемную долю твердого вещества. ^[3]

Вязкость раствора как функция скорости сдвига определяется степенным уравнением ^[4] , где η — вязкость, K — константа, зависящая от материала, а γ̇ — приложенная скорость сдвига. $${\displaystyle \eta =K{\dot {\gamma }}^{n-1},}$$

Дилатантное поведение имеет место, когда n больше 1.

Ниже приведена таблица значений вязкости для некоторых распространенных материалов. ^{[5] [6] [7]}

Стабилизированные суспензии

Суспензия состоит из мелкодисперсной фазы, диспергированной в отличающейся гетерогенной фазе. Поведение загустевания при сдвиге наблюдается в системах с твердой фазой, диспергированной в жидкой фазе. Эти растворы отличаются от коллоида тем , что они нестабильны; твердые частицы в дисперсии достаточно велики для седиментации , заставляя их в конечном итоге оседать. В то время как твердые частицы, диспергированные в коллоиде, меньше и не будут оседать. Существует несколько методов стабилизации суспензий, включая электростатику и стерику.

Энергия отталкивания как функция разделения частиц

В нестабильной суспензии дисперсная фаза частиц выйдет из раствора под действием сил, действующих на частицы, таких как гравитация или притяжение Гамакера. Величина эффекта, который эти силы оказывают на вытягивание фазы частиц из раствора, пропорциональна размеру частиц; для крупных частиц гравитационные силы больше, чем взаимодействия частиц друг с другом, тогда как для мелких частиц верно обратное. Поведение загустевания при сдвиге обычно наблюдается в суспензиях мелких твердых частиц, что указывает на то, что притяжение Гамакера между частицами является доминирующей силой. Поэтому стабилизация суспензии зависит от введения противодействующей отталкивающей силы.

Теория Гамакера описывает притяжение между телами, такими как частицы. Было осознано, что объяснение сил Ван-дер-Ваальса может быть расширено от объяснения взаимодействия между двумя молекулами с индуцированными диполями до макромасштабных тел путем суммирования всех межмолекулярных сил между телами. Подобно силам Ван-дер-Ваальса, теория Гамакера описывает величину взаимодействия частиц как обратно пропорциональную квадрату расстояния. Поэтому многие стабилизированные суспензии включают в себя дальнодействующую силу отталкивания, которая доминирует над притяжением Гамакера, когда взаимодействующие тела находятся на достаточном расстоянии, эффективно предотвращая сближение тел. Однако на коротких расстояниях доминирует притяжение Гамакера, заставляя частицы коагулировать и выпадать из раствора. Две общие дальнодействующие силы, используемые при стабилизации суспензий, — это электростатика и стерика.

Электростатически стабилизированные подвески

Частица в растворе стабилизирована посредством электростатической силы двойного слоя

Суспензии одинаково заряженных частиц, диспергированных в жидком электролите, стабилизируются посредством эффекта, описываемого моделью двойного слоя Гельмгольца. Модель состоит из двух слоев. Первый слой — это заряженная поверхность частицы, которая создает электростатическое поле, воздействующее на ионы в электролите. В ответ ионы создают диффузный слой равного и противоположного заряда, эффективно делая поверхностный заряд нейтральным. Однако диффузный слой создает потенциал, окружающий частицу, который отличается от потенциала основного электролита.

Диффузный слой служит дальнодействующей силой для стабилизации частиц. Когда частицы находятся рядом друг с другом, диффузный слой одной частицы перекрывается слоем другой частицы, создавая силу отталкивания. Следующее уравнение дает энергию между двумя коллоидами в результате взаимодействия Гамакера и электростатического отталкивания.

$${\displaystyle V=\pi R\left({\frac {-H}{12\pi h^{2}}}+{\frac {64Ck_{\text{B}}T\Gamma ^{2}e^{\kappa }h}{\kappa ^{2}}}\right),}$$где:

• V , энергия между парой коллоидов,
• R , радиус коллоидов,
• − H , константа Гамакера между коллоидом и растворителем,
• h , расстояние между коллоидами,
• C , поверхностная концентрация ионов,
• k _B , постоянная Больцмана,
• T , температура в градусах Кельвина ,
• ${\displaystyle \Gamma ,}$избыток поверхности,
• ${\displaystyle \kappa ,}$Обратная длина Дебая.

Стерически стабилизированные суспензии

Частица в суспензии стабилизирована за счет стерических препятствий.

В отличие от электростатики, стерически стабилизированные суспензии полагаются на физическое взаимодействие полимерных цепей, прикрепленных к поверхности частиц, чтобы поддерживать суспензию стабильной; адсорбированные полимерные цепи действуют как спейсер, чтобы удерживать взвешенные частицы разделенными на достаточном расстоянии, чтобы предотвратить доминирование притяжения Гамакера и вытягивание частиц из суспензии. Полимеры обычно либо привиты, либо адсорбированы на поверхности частицы. В случае привитых полимеров основная часть полимерной цепи ковалентно связана с поверхностью частицы. В то время как адсорбированный полимер представляет собой сополимер, состоящий из лиофобной и лиофильной области, где лиофобная область нековалентно прилипает к поверхности частицы, а лиофильная область образует стерическую границу или спейсер.

Теории, лежащие в основе поведения загустевания при сдвиге

Дилатансия в коллоиде, или его способность упорядочиваться в присутствии сдвиговых сил, зависит от соотношения межчастичных сил. Пока доминируют межчастичные силы, такие как силы Ван-дер-Ваальса , взвешенные частицы остаются в упорядоченных слоях. Однако, как только доминируют сдвиговые силы, частицы входят в состояние флокуляции и больше не удерживаются во взвешенном состоянии; они начинают вести себя как твердое тело. Когда сдвиговые силы снимаются, частицы расходятся и снова образуют устойчивую суспензию.

Поведение загустевания при сдвиге сильно зависит от объемной доли твердых частиц, взвешенных в жидкости. Чем выше объемная доля, тем меньший сдвиг требуется для инициирования поведения загустевания при сдвиге. Скорость сдвига, при которой жидкость переходит от ньютоновского течения к поведению загустевания при сдвиге, известна как критическая скорость сдвига.

Переход от порядка к беспорядку

При сдвиге концентрированного стабилизированного раствора при относительно низкой скорости сдвига отталкивающие взаимодействия частиц удерживают частицы в упорядоченной, слоистой, равновесной структуре. Однако при скоростях сдвига, превышающих критическую скорость сдвига, сдвигающие силы, толкающие частицы вместе, преодолевают отталкивающие взаимодействия частиц, вытесняя частицы из их положений равновесия. Это приводит к неупорядоченной структуре, вызывая увеличение вязкости. ^[8]

Критическая скорость сдвига здесь определяется как скорость сдвига, при которой сдвигающие силы, прижимающие частицы друг к другу, эквивалентны отталкивающим взаимодействиям частиц.

Гидрокластеризация

Кратковременная гидрокластеризация частиц в растворе.

Когда частицы стабилизированной суспензии переходят из неподвижного состояния в подвижное, небольшие группы частиц образуют гидрокластеры, увеличивая вязкость. Эти гидрокластеры состоят из частиц, которые на мгновение сжимаются вместе, образуя нерегулярную, стержнеобразную цепочку частиц, похожую на затор или пробку. Теоретически частицы имеют чрезвычайно малые межчастичные зазоры, что делает этот мгновенный, переходный гидрокластер несжимаемым. Возможно, что дополнительные гидрокластеры будут образовываться посредством агрегации. ^[9]

Примеры

Кукурузный крахмал и вода (oobleck)

Кукурузный крахмал — это распространенный загуститель, используемый в кулинарии. Это также очень хороший пример системы сдвига-загустителя. Когда к смеси воды и кукурузного крахмала в соотношении 1:1,25 прикладывается сила, смесь ведет себя как твердое тело и сопротивляется силе.

Силикагель и полиэтиленгликоль

Наночастицы кремния диспергируются в растворе полиэтиленгликоля . Частицы кремния обеспечивают высокопрочный материал при флокуляции. Это позволяет использовать его в таких приложениях, как жидкая бронежилетная броня и тормозные колодки.

Приложения

Контроль тяги

Дилатантные материалы имеют определенные промышленные применения из-за их поведения при загустевании при сдвиге. Например, некоторые полноприводные системы используют вязкостный соединительный блок , заполненный дилатантной жидкостью, для передачи мощности между передними и задними колесами. На дорожном покрытии с высоким сцеплением относительное движение между первичными и вторичными ведущими колесами одинаково, поэтому сдвиг низкий и передается небольшая мощность. Когда первичные ведущие колеса начинают проскальзывать, сдвиг увеличивается, заставляя жидкость загустевать. По мере загустевания жидкости крутящий момент, передаваемый на вторичные ведущие колеса, пропорционально увеличивается, пока не будет передано максимально возможное количество мощности в полностью загустевшем состоянии. (См. также дифференциал повышенного трения , некоторые типы которого работают по тому же принципу.) Для оператора эта система полностью пассивна, задействуя все четыре колеса для движения при необходимости и возвращаясь к приводу на два колеса, когда необходимость отпадает. Эта система обычно используется для дорожных транспортных средств, а не для внедорожных, поскольку максимальная вязкость дилатантной жидкости ограничивает количество крутящего момента, которое может быть передано через муфту.

Бронежилет

Различные корпоративные и государственные организации изучают применение жидкостей, загущающих при сдвиге, для использования в качестве бронежилета . Такая система могла бы обеспечить владельцу гибкость для нормального диапазона движений, но при этом обеспечить жесткость для сопротивления прокалыванию пулями , ударам ножом и аналогичным атакам. Принцип аналогичен принципу кольчужной брони, хотя бронежилет с использованием дилатанта будет намного легче. Дилатантная жидкость будет рассеивать силу внезапного удара по более широкой области тела пользователя, уменьшая травму от тупой силы. Однако дилатант не обеспечит никакой дополнительной защиты от медленных атак, таких как медленный, но сильный удар ножом, который позволит произойти течению. ^[10]

В одном исследовании стандартная ткань кевлара сравнивалась с композитной броней из кевлара и фирменной загущающей сдвиг жидкости. Результаты показали, что комбинация кевлара/жидкости показала лучшие результаты, чем чистый кевларовый материал, несмотря на то, что ее толщина составляла менее трети толщины кевлара. ^[10]

Четыре примера дилатантных материалов, используемых в средствах индивидуальной защиты, — это Armourgel, D3O , ArtiLage (пена для искусственного хряща) и «Система активной защиты», производимая компанией Dow Corning . ^[11]

В 2002 году исследователи из Исследовательской лаборатории армии США и Университета Делавэра начали изучать использование жидкой брони или жидкости, загущающей при сдвиге, в бронежилетах. Исследователи продемонстрировали, что высокопрочные ткани, такие как кевлар, могут стать более пуленепробиваемыми и устойчивыми к ударам, если их пропитать жидкостью. ^{[12] [13]} Целью технологии «жидкой брони» является создание нового материала, который является недорогим и легким, но при этом обладает эквивалентными или превосходящими баллистическими свойствами по сравнению с текущей тканью кевлар. ^[14]

За свою работу над жидкой броней доктор Эрик Ветцель, инженер-механик ARL, и его команда были награждены премией Пола А. Сайпла 2002 года, высшей наградой армии за научные достижения, на армейской научной конференции. ^[15]

Компания D3O изобрела неньютоновский материал, который нашел широкое применение в широком спектре стандартных и индивидуальных приложений, включая защитную экипировку для мотоциклистов и экстремальных видов спорта, промышленную рабочую одежду, военные приложения и защиту от ударов для электроники. Материалы обеспечивают гибкость при нормальном ношении, но становятся жесткими и защитными при сильном ударе. Хотя некоторые продукты продаются напрямую, большая часть их производственных возможностей уходит на продажу и лицензирование материала другим компаниям для использования в их собственных линейках защитных продуктов.

Смотрите также

• Ньютоновская жидкость
• Неньютоновская жидкость
• пластик Бингама
• Коллоид
• Двойной слой (интерфейсный)
• Реология
• Теория ДЛФО
• теория Хамакера
• Суспензия (химия)
• Жидкость степенного закона
• Псевдопластический
• Глупая замазка
• Жидкая броня
• Д3О
• Вязкость, зависящая от времени
• Реопектия : Чем дольше жидкость подвергается воздействию сдвигающей силы, тем выше вязкость. Зависимое от времени поведение загустевания при сдвиге.
• Тиксотропия : чем дольше жидкость подвергается воздействию сдвигающей силы, тем ниже ее вязкость. Это зависящее от времени поведение разжижения при сдвиге.
• Истончение при сдвиге : похоже на тиксотропию, но не зависит от времени.
• Загуститель
• Растворитель для краски

Ссылки

1. Вудкок, Лесли В. (ноябрь 1984 г.). «Происхождение явлений дилатансии сдвига и утолщения сдвига». Chemical Physics Letters . 111 (4–5): 455–461. Bibcode : 1984CPL...111..455W. doi : 10.1016/0009-2614(84)85540-2.
2. Коулмен, Пол С. Пейнтер, Майкл М. (1997). Основы науки о полимерах: вводный текст (2-е изд.). Ланкастер, Пенсильвания: Technomic. стр. 412–413. ISBN 978-1-56676-559-6.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
3. Галиндо-Росалес, Франсиско Дж.; Рубио-Эрнандес, Франсиско Х.; Веласкес-Наварро, Хосе Ф. (22 мая 2009 г.). «Поведение суспензий наночастиц Aerosil® R816 в загустевании при сдвиге в полярных органических жидкостях». Реологика Акта . 48 (6): 699–708. Бибкод : 1974AcRhe..13.1253J. дои : 10.1007/s00397-009-0367-7. S2CID  98809104.
4. Каннингем, Нил. «Школа реологии». Brookfield Engineering. Архивировано из оригинала 25 июля 2011 г. Получено 4 июня 2011 г.
5. Barnes, HA; Hutton, JF; Walters, K. (1989). Введение в реологию (5-е изд.). Амстердам: Elsevier. ISBN 978-0-444-87140-4.
6. Аткинс, Питер (2010). Физическая химия (9-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman and Co. ISBN 978-1-4292-1812-2.
7. "Таблица вязкости". Research Equipment Limited . Получено 4 июня 2011 г.
8. Boersma, Willem H.; Laven, Jozua; Stein, Hans N. (март 1990). "Загустевание при сдвиге (дилатансия) в концентрированных дисперсиях" (PDF) . Журнал AIChE . 36 (3): 321–332. Bibcode : 1990AIChE..36..321B. doi : 10.1002/aic.690360302.
9. Фарр, RS; и др. (июнь 1997 г.). «Кинетическая теория заклинивания в стартовых потоках твердых сфер». Physical Review E. 55 ( 6): 7206–7211. Bibcode : 1997PhRvE..55.7203F. doi : 10.1103/physreve.55.7203.
10. Gill, Victoria (2010-07-09). «Жидкая броня „может останавливать пули“». BBC News .
11. [1] Архивировано 3 июня 2010 г. на Wayback Machine.
12. «Призыв к броне: армия исследует более прочную, легкую, дешевую защиту». Ассоциация армии США . 2016-05-20 . Получено 11 июля 2018 г.
13. "Liquid Armor: Инновация Делавэрского университета". Body Armor News . 2015-03-10 . Получено 2018-07-11 .
14. "Как армия США использует жидкую бронежилетную броню". The Balance Careers . Архивировано из оригинала 2018-07-11 . Получено 2018-07-11 .
15. "Армейские ученые и инженеры разрабатывают жидкую бронежилетную броню". CorrectionsOne . Получено 11 июля 2018 г.

Внешние ссылки

• "Ткань Shear Thickening Fluid (STF): Публикации". Архивировано из оригинала 2006-09-17.
• "Жидкая бронежилетная броня - Реологи применяют загущающие сдвиг жидкости для защитного снаряжения". Архивировано из оригинала 2007-01-06.
• Армейская наука: роботы, жидкая броня и виртуальная реальность
• Алмонд, Питер (19 июля 2024 г.). «Войска испытают жидкую броню». The Sunday Times .