剪切增稠液体理论基础和工程应用进展概述

剪切增稠液(STF)作为一种智能材料,在施加剪切应力或提高剪切速率条件下其表观黏度显著增加,可增加几倍至几十倍.实验室常见的剪切增稠液通常以无机氧化物为分散相、乙二醇或聚乙二醇为连续相,并混合部分添加剂制成.作为一种能快速感应外部刺激并做出响应的材料,剪切增稠液可在施加冲击后毫秒级的时间内,由液体向半固体进行转变,具有响应迅速、出力大、反复可逆等优点,因此在工程领域得到较多应用.然而,剪切增稠液体的基础理论却无法对其当前的制备和应用提供明确指导,被学者广泛认可的堵塞理论只是对现象描述的一种统称,并未真正揭示剪切增稠现象的本质.同时剪切增稠液体的相关应用主要集中于剪切增稠液复合纤维领域,并面临在450～510 m/s以上的高速冲击下效果不理想的瓶颈.因此,近五年来除探究剪切增稠液体的机理外,研究者们主要从高速冲击实验条件下的测试和开发应用方面进行了不断尝试,并取得了丰硕的成果.目前,解释剪切增稠现象的最新模型为接触流变理论,以接触动力学模拟、流变学和摩擦测量为基础,为连续剪切增稠行为(Continuous shear thickening)和非连续剪切增稠行为(Discontinuous shear thickening)提供支撑.在剪切增稠体系应用方面,研究者通过使用气枪、霍普金森压杆等手段进行高速冲击下的实验,对剪切增稠复合材料的失效模式进行分析,发现在高速条件下复合材料从拉力失效模式变为剪切失效模式.将剪切增稠液体应用于运动防护及生物医疗领域,并将剪切增稠液体与磁流变液等智能材料结合从而实现对伤害的实时评估.本文归纳了剪切增稠液体的研究进展,着重分析了剪切增稠液体的理论机理,对剪切增稠液体在个体防护领域、振动控制领域及其他领域中的应用进行了总结,分析了在工程应用背景下剪切增稠体系面临的问题并对其前景进行了展望,以期为开发更稳定和效果更显著的剪切增稠液体相关器件提供参考.