剪切增稠液及其織物復(fù)合材料的力學(xué)性能研究.pdf

1、剪切增稠液(STF)是由微米或納米尺度的顆粒分散在極性介質(zhì)中形成的一種濃稠懸浮液。它在高剪切速率下粘度出現(xiàn)急劇上升，同時具備液體的耗能特性和固體的高強(qiáng)度性能，是一種新型智能材料。將其應(yīng)用于人體防護(hù)、阻尼設(shè)備、運(yùn)動器材等領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢和廣闊前景。尤其是用STF與纖維織物復(fù)合而成的材料制成的防護(hù)服，其抗沖擊能力較純織物有成倍地提升。
　　鑒于剪切增稠復(fù)合材料重要的應(yīng)用背景，亟需開展相關(guān)實(shí)用材料的制備和力學(xué)性能研究。為此，本文首先發(fā)展

2、了STF的制備方法;然后，將宏觀流變行為測量與微觀結(jié)構(gòu)的演化相結(jié)合，探索了剪切增稠行為的內(nèi)在機(jī)理;接著，選擇涂層材料以提高STF在纖維織物中的密封性并增強(qiáng)其抗沖擊性能;最后，對STF織物復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。本文的研究為最終實(shí)現(xiàn)該新型防護(hù)材料的研發(fā)及其在工程實(shí)際中的應(yīng)用提供了理論支持和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。具體內(nèi)容包括以下幾個方面:
　　1.STF的研制。研制了多種高性能且穩(wěn)定可控的STF，并重點(diǎn)研究了一種基于表面具有孔隙結(jié)構(gòu)的二氧化硅(Si

3、O2)粒子的STF。由于粒子的表面多孔特性，其BET比表面積高達(dá)794.50m2/g，多孔顆粒與溶劑分子的固-液接觸面積發(fā)生變化進(jìn)而影響到STF的剪切增稠行為。
　　2.STF的流變性能機(jī)理研究。借助流變測試的表征手段，研究了基于礦物SiO2顆粒的STF的流變行為。研究了平行板間距、轉(zhuǎn)子表面粗糙度、分散相顆粒體積分?jǐn)?shù)的影響。比較了剪切速率和剪切應(yīng)力兩種控制方式下的流變曲線差異，發(fā)現(xiàn)在控制剪切應(yīng)力提升至剪切增稠區(qū)間后，高濃度STF的

4、粘度呈現(xiàn)S形折返上升，相應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)處于牛頓流動和剪切增稠共存狀態(tài)。研究了從連續(xù)性剪切增稠(CST)到非連續(xù)性剪切增稠(DST)轉(zhuǎn)變過程中法向力由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值的變化，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步分析了剪切增稠行為的微觀機(jī)理。
　　3.STF織物復(fù)合材料的研制及抗沖擊性能測試。將剪切變硬膠(STG)引入STF浸漬的凱夫拉(@)織物(Kevlar/STF)中，研制出一種新型STF織物復(fù)合材料(Kevlar/STF/STG)。STG作為涂層材料起

5、到封裝作用，不僅提高了Kevlar/STF材料的穩(wěn)定性，還協(xié)助STF一起提高純織物的抗沖擊性能。對復(fù)合織物進(jìn)行了單根紗線拉出測試、分離式Hopkinson壓桿（SHPB）沖擊測試、半球端頭桿件沖擊測試。通過分析沖擊作用下織物的失效機(jī)制，將Kevlar/STF/STG優(yōu)秀的防護(hù)效果歸因于STF和STG引起的纖維摩擦力的升高，從而帶來織物破壞機(jī)制的轉(zhuǎn)變，并帶動更多的紗線分擔(dān)沖擊力。
　　4.STF織物復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。將STG與Ke