陸振乾， 許 玥， 孫寶忠

(1. 鹽城工學院 紡織服裝學院，江蘇 鹽城 224051；2. 北京航空航天大學 材料科學與工程學院，北京 100191； 3. 東華大學 紡織學院，上海 201620)

在日常生活中會遇到一些液體的黏度隨著剪切速率增加而增大的現(xiàn)象，最為著名的事例是 “水上漂”表演。采用玉米淀粉分散在水中制成糊狀懸浮液，一個成年人可以在其表面快速跑過而不會下沉，如果站著不動將會沉下去。其背后的原理就是液體的剪切增稠現(xiàn)象。剪切增稠液(Shear Thickening Fluid，STF)是一種非牛頓流體，由固體顆粒分散在液體介質(zhì)中制成的懸浮液。對剪切增稠流體的研究很早就開始[1]，很多的學者對其穩(wěn)態(tài)和動態(tài)下的流變性能進行研究，主要集中在剪切增稠的影響因素及增稠機理[2-4]。開始階段的研究主要是防止剪切增稠在工業(yè)生產(chǎn)中造成的危害。近年來，剪切增稠液被應用到抗沖擊緩沖減振領域，主要利用其對沖擊載荷獨特的力學響應和能量吸收能力。在常態(tài)下為液態(tài)，極易變形，但在受到?jīng)_擊或剪切時，會瞬間從“液態(tài)”轉(zhuǎn)化為“固態(tài)”。當應力消失后，又會自動回復到原來的液態(tài)。而且這個轉(zhuǎn)化過程無需額外的激勵觸發(fā)裝置。沖擊后不會出現(xiàn)類似固體的損傷，無需修復，可以多次重復利用。這為制備新型的柔性防護裝備提供了新的可能。從運動防護到個體防護裝備，特別是將其與高性能纖維織物(如芳綸、高強聚乙烯等)進行復合，制備出既輕又柔的人體防護裝備，在不增加重量的情況下，減少織物的層數(shù)，增強了防彈防刺的效果，成為新一代的“液體防護裝備”[5-8]。這個領域目前受到了廣泛的關注，近年來發(fā)表的論文也逐年增加。

本文對近年來剪切增稠液的增稠機理和流體性能的研究現(xiàn)狀進行了分析總結(jié)，對剪切增稠液的應用前景和發(fā)展趨勢進行了展望。并指出當前存在的一些問題，為進一步深入開展剪切增稠技術研究提供一定的理論指導，也希望能夠引起國內(nèi)相關部門和科研人員的重視。

1 剪切增稠流體

流體可以分為牛頓流體和非牛頓流體，牛頓流體的剪切應力與剪切速率符合線性關系，即流體的黏度是固定的。而非牛頓流體的剪切應力與變形速率不成線性關系，黏度隨著剪切速率的變化而變化。冪律模型通常被用來表征非牛頓流體中剪切應力和剪切速率之間的關系。經(jīng)驗公式如下

式中，K為稠度系數(shù)或冪律系數(shù)，n為流性指數(shù)或冪律指數(shù)。Brown等[9]根據(jù)流體的剪切應力和剪切速率的對數(shù)關系，繪制了流體的不同流變響應及粒子的排列分布機理，如圖1所示。

根據(jù)STF的增稠程度不同，可以將STF分為三種類型：①連續(xù)剪切增稠(Continuous Shear Thickening, CST)，這種STF的冪律指數(shù)滿足12的關系，這種STF的黏度會隨著剪切速率的增加而出現(xiàn)急劇、非連續(xù)性的上升。常見于非布朗的濃懸浮分散體系中。

圖1 顆粒懸浮液中剪切應力-剪切速率的雙對數(shù)曲線

通常剪切增稠流體是一種濃縮的顆粒懸浮液，由固體顆粒及分散介質(zhì)組成。固體顆?？梢允翘烊坏牡V物顆粒、可變形顆粒和人工合成顆粒等。常見STF中的固體顆粒及分散介質(zhì)總結(jié)如表1所示。

表1 常見的剪切增稠體系組成

2 增稠機理

要控制和提升STF的性能，必須要了解流體剪切增稠機理。研究人員在研究各種分散體系的流變性能的基礎上，運用很多測試手段來研究STF的增稠機理。目前，有三種理論： “有序-無序轉(zhuǎn)化”理論，“粒子簇”理論和“膨脹”理論。

2.1 “有序-無序轉(zhuǎn)化”理論

“有序-無序轉(zhuǎn)化”理論是由Hoffman提出的，他認為分散體系在粒子間的斥力的作用下，保持一種穩(wěn)定的有序排列。在低的剪切應力下，分散體系中的粒子排列的有序程度會提高出現(xiàn)層狀流動，致使體系的黏度降低。當剪切應力增加時，作用在粒子上的流體作用力也相應增大，當流體作用力大到可以打亂有序流動時，導致粒子的無序排列，從而導致黏度增大。如圖2所示。但是，Egres等[27]研究發(fā)現(xiàn)，非連續(xù)性增稠可以在沒有“有序-無序轉(zhuǎn)化”的情況下發(fā)生。因此，發(fā)生“有序-無序轉(zhuǎn)化”的微結(jié)構(gòu)變化時會發(fā)生增稠，但不是必要機理。

圖2 “有序-無序轉(zhuǎn)化”機理示意圖

2.2 “粒子簇”理論

“粒子簇”理論最早是由Brady等于1985年提出。該理論是基于流體中的相互作用。他們利用動態(tài)模擬實驗發(fā)現(xiàn)，增稠是由粒子間的流動作用力導致的。在剪切應力作用下，流體中的粒子相互接觸，導致了流體作用力增大，這個力導致了不平衡自組裝微結(jié)構(gòu)“粒子簇”的產(chǎn)生。正是這個“粒子簇”的存在嚴重阻礙了流體的流動，使得分散體系的黏度急劇增大。Cheng等[28]將同步力學測試與高速共焦顯微鏡連用，研究STF在增稠過程中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化。如圖3所示。在剪切變稀階段是由于熵力的貢獻減小導致，而流體潤滑力導致了粒子簇的產(chǎn)生，導致增稠的發(fā)生。粒子簇理論同時得到了小角度中子散射(SANS)實驗方法的驗證。因此“粒子簇”理論來解釋剪切增稠機理更加的準確。但是，采用粒子簇理論進行模擬時，無法得到DSC中的連續(xù)幾個數(shù)量級的黏度增加。

圖3 “粒子簇”機理示意圖

2.3 膨脹理論

膨脹在早期的文獻中經(jīng)常被用作剪切增稠的同義詞。Metzner等[29]在1958年研究發(fā)現(xiàn)在一些沒有剪切增稠的流體中也會出現(xiàn)膨脹，隨后的40年里，流變協(xié)會開始不再將增稠與膨脹聯(lián)系起來。但近20年來，許多的研究[30-31]開始重新考慮膨脹作為一種剪切增稠機理，并建立模型來解釋膨脹是如何導致非連續(xù)性增稠(DST)的。膨脹理論的基本思想是當顆粒剪切流動時，由于受到流體邊界的限制而挫敗，剪切會對邊界產(chǎn)生一個正應力。邊界會提供一個相等且方向相反的反作用力，這個力會沿著流體中的臨近粒子間的摩擦接觸所形成的力鏈傳播，如圖4所示[32]。摩擦接觸所產(chǎn)生的剪應力與正應力成正比，從而引起剪切應力隨著剪切速率急劇增大，形成非連續(xù)性的剪切增稠。在剪切增稠的轉(zhuǎn)化過程中粒子形成了接觸網(wǎng)絡，這些網(wǎng)絡由摩擦力來支持并在整個系統(tǒng)內(nèi)傳遞，產(chǎn)生類似固體的性能。

圖4 “膨脹”機理示意圖

3 剪切增稠液的性能

3.1 剪切流變性能

剪切流變性能的研究是STF其他性能及應用的基礎，諸多學者對其流變性能及其影響因素進行了深入的研究。流體的剪切性能可以通過穩(wěn)態(tài)和動態(tài)(振蕩)剪切測量。典型的STF穩(wěn)態(tài)剪切曲線如圖5(a)所示，通常分為三個階段，在初始階段為剪切變稀階段，黏度隨著剪切速率的增大而降低；當?shù)竭_臨界剪切速率時，進入剪切增稠階段，黏度會突然上升。當?shù)竭_最大黏度(或剪切應力)后，分散體系再次進入剪切變稀階段。Brown等研究發(fā)現(xiàn)，增稠階段會出現(xiàn)在一個特定的剪切應力(τmin-τmax)范圍之內(nèi)，如圖5(b)所示。當分散體系的剪切應力高于臨界值τmin時，開始進入增稠階段，這個臨界值不受顆粒體積分數(shù)的影響。當剪切應力高于上限值τmax后，體系開始解體、破裂，再次進入剪切變稀階段。這個上限值受到分散體系液-氣界面的表面張力影響。當剪切增稠時，液-氣界面的表面張力γ會產(chǎn)生一個向內(nèi)的力來阻止顆粒突破界面飛出。這個力的大小為γ/r，其中r為液-氣界面的曲率半徑。Jiang等[33]通過改進的流變儀來研究了STF增稠后的力學行為。研究發(fā)現(xiàn)在增稠阻塞轉(zhuǎn)化后有三個階段。第一階段是剪切模量和力鏈的角度隨著應變的增加而增大，阻塞狀態(tài)進一步加深。第二階段是阻塞狀態(tài)在不斷增加的剪應力下相對穩(wěn)定，力鏈的角度和網(wǎng)絡相對穩(wěn)定。第三階段是力鏈的角度近一步增大，力鏈被破壞，阻塞狀態(tài)在繼續(xù)增長的剪應力下瓦解。

振蕩剪切通常被用來研究材料的黏彈性行為。在STF發(fā)生增稠時，其損耗模量和儲能模量均會突然增大，體系的吸能性能提高，如圖5(c)。STF的李薩如圖形見圖5(d)所示，為振蕩剪切下的應力-應變曲線，圖中曲線圍住的面積是與能量耗散相關的黏性阻尼。因此，李薩如圖可被用來研究STF內(nèi)部的能量耗散。

影響分散體系流變性能的因素主要集中在兩個方面，一個是粒子的性能，如粒子形狀[34]、粒徑大小[35-36]、粒徑分布、體積分數(shù)及粒子間的作用力[37]。另一個是分散介質(zhì)的性能，如黏度、分子量和PH值等。粒子體積分數(shù)是指固體粒子占整個分散體系的體積數(shù)，這是影響增稠最為重要的因素之一。一般來說，分散體系要出現(xiàn)剪切增稠，必須達到一個最小的粒子體積分數(shù)含量。隨著體積分數(shù)的增大，增稠效果越明顯。粒子的形狀及長徑比是影響分散體系流變性能的另一重要因素。研究表明，隨著粒子長徑比的增大，臨界剪切速率減小，出現(xiàn)增稠所需的體積分數(shù)也降低。粒子的粒徑大小直接影響分散體系的臨界剪切速率[38]。隨著粒徑的增大，臨界剪切速率減小。同時，當粒徑分布較寬時，分散體系的臨界剪切速率增大。如果想制備具有較低臨界剪切速率的分散體系時，應盡量選用粒徑分布較窄，粒徑單一的粒子，以取得較好的增稠效果。溫度對分散體系的臨界剪切速率及黏度具有較大的影響[39]。隨著溫度的增加，體系的黏度降低，且臨界剪切速率增大。不同的分散介質(zhì)具有不同的極性和黏度，對分散體系的黏度及臨界剪切速率都會有較大的影響。分散介質(zhì)的選擇應考慮到液體的黏度、揮發(fā)性、毒性和耐溫性等因素。

(a) 穩(wěn)態(tài)流變曲線

(b) 增稠剪應力范圍

(c) 儲能模量和損耗模量與動態(tài)剪切速率關系

(d) 增稠后剪應力與正應力關系圖

圖5 STF流變性能

Fig.5 Rheological properties of STF

3.2 沖擊性能

在沖擊條件下，STF會由沖擊而引發(fā)增稠，出現(xiàn)明顯的液-固轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，并表現(xiàn)出非線性力學響應。許多的學者沖擊過程中STF的增稠轉(zhuǎn)變過程進行研究。

在低應變率下，往往采用落錘等進行沖擊。Waitukaitis等采用高速攝影、X線掃描及預埋的力學傳感器來分析落桿沖擊玉米面粉/水的增稠轉(zhuǎn)化過程，如圖6(a)所示。當沖擊桿接觸到液面時，接觸面下的流體在沖擊作用下擠壓流動，固態(tài)粒子會相互接觸，在沖擊桿下形成一條“固態(tài)”的粒子簇阻塞體，如圖6(c)所示。這個粒子簇阻塞體在沖擊的過程中會不斷的生長變大。通過計算得出，該阻塞體的長度與桿的垂直位移成正比，且阻塞體的鋒面速度與沖擊桿的速度成正比。同時，在阻塞體的周圍會產(chǎn)生圓錐狀的附加質(zhì)量塊。附加質(zhì)量塊的直徑也同沖擊桿的位移成正比。正是由于增稠粒子簇及附加質(zhì)量塊的產(chǎn)生，吸收了大量的沖擊動量，給了沖擊桿足夠的抵抗作用，使沖擊桿停止并支撐其不會下沉。同時，當粒子簇到達容器外壁時，由于外壁的支撐作用，會形成一個反彈力。該反彈力的大小與流體的厚度有關，厚度越小，反彈力越大。

(a) 沖擊裝置圖

(b) 沖擊桿下的位移場

(c) 沖擊桿下的固化區(qū)域及附加質(zhì)量塊

(d) 桿位移與固化鋒面距離的關系

圖6 STF桿沖擊測試

Fig.6 Rod impact test of STF

在高應變率下，分離式Hopkinson壓桿(SHPB)常常被用來研究STF沖擊壓縮性能[40-44]。中科大的龔興龍教授團隊對STF的流變性能和SHPB沖擊性能進行了深入的研究[45-46]。通過對62%的SiO2/EG分散體系與純分散介質(zhì)EG的側(cè)向受限沖擊對比發(fā)現(xiàn)，純EG在沖擊過程中基本沒有能量耗散。而STF的透射能量明顯減小，STF的增稠轉(zhuǎn)換造成了能量耗散。Lim等利用SHPB對牛頓流體和STF進行沖擊測試，并研究了加載速率與STF轉(zhuǎn)換時間之間的關系。研究表明，沖擊轉(zhuǎn)換時間隨應變率增加而減小。同時，轉(zhuǎn)換的觸發(fā)是由臨界剪切應變控制，而非剪切速率。

在更高的應變率下，往往采用彈道沖擊的方式來研究STF的場響應特征和力學行為。如圖7所示。Petel等[47-48]比較了玉米淀粉、二氧化硅和碳化硅這三種不同硬度的顆粒分散體系的子彈沖擊性能。玉米淀粉硬度最小，其抗沖擊性能最差。由于碳化硅粒子分散體系自身并沒有增稠效果，將其加入到二氧化硅基的STF中，混合后的多相流體與同樣體積分數(shù)的二氧化硅基的STF相比，由于顆粒的高硬度，其對子彈的防護性能顯著提高。

(a) 剪切增稠彈道沖擊圖

Gürgen等[49-50]將硬質(zhì)的陶瓷基納米粒子碳化硅、氧化鋁和碳化硼顆粒加入到二氧化硅基的STF中。加入這些不規(guī)則的粒子后，分散體系的初始黏度會增大，但增稠程度不會提高。隨著加入粒子量的增大，增稠率會下降，這些不規(guī)則的硬質(zhì)粒子會阻礙增稠發(fā)生。但這種多相流體與織物復合后，織物的摩擦因數(shù)顯著提高，防錐刺和刀刺性能也會明顯提高。

Nam等[51]將碳纖維短纖和高強聚乙烯短纖維加入到STF中來提高其防彈性能。碳纖維的高模量可以更好的傳遞應力，高強聚乙烯纖維的高強度和韌性可以提供拉伸強度。在STF中加入20%的碳纖維和1%的高強聚乙烯纖維時，子彈的穿透深度最小。

3.3 拉伸性能

STF在剪切和沖擊壓縮作用下的液-固轉(zhuǎn)換行為在拉伸作用下同樣會出現(xiàn)。分散體系的拉伸黏度定義為在樣品所受拉應力與拉伸應變速率之比。White等[52]研究了質(zhì)量分數(shù)為55%的玉米淀粉/水分散體系的拉伸流變。研究表明，在低的拉伸率下，流體表現(xiàn)出牛頓流體響應；在中等的拉伸速率下，流體出現(xiàn)應變硬化，形成一條長的連續(xù)絲；超過臨界拉伸速率時，拉伸黏度到達最大值，出現(xiàn)了拉伸增稠，流體絲出現(xiàn)脆性斷裂，如圖8所示。他們認為這種轉(zhuǎn)變是由于形成粒子簇，從而形成了具有固定強度的相互連接的粒子阻塞網(wǎng)絡。Smith等[53]研究了聚丙烯酸甲酯顆粒懸浮液在拉伸載荷下拉絲斷裂行為。結(jié)果表明，STF絲的伸長和拉伸斷裂與流變中的增稠阻塞轉(zhuǎn)換有關。采用高速攝影的技術，可以觀察到在高拉伸率下，STF從光滑的液面逐漸轉(zhuǎn)變成固體不光滑界面，分散介質(zhì)液體回縮到粒子的間隙中，STF出現(xiàn)脹大與粒化的效應，發(fā)生脆性斷裂現(xiàn)象。斷裂后的界面經(jīng)過松弛后，再次回到光滑的平衡狀態(tài)。Chellamuthu等[54]研究了SiO2/PEG分散體系的拉伸流變性能，也得到了相同的結(jié)論，他們認為應變硬化是因為在拉伸的方向上產(chǎn)生了粒子簇，還用小角度光散射的方法進行驗證，發(fā)現(xiàn)被拉伸的STF呈現(xiàn)雙曲線收縮的現(xiàn)象，從散射圖中可看出納米顆粒的排列聚集度隨著拉伸率增大而提高。

(a) ε˙= 0.3 s-1(c) ε˙= 1.5 s-1(b) ε˙= 0.9 s-1

圖8 55%的玉米淀粉/水在不同拉伸速率下的拉伸高速圖像

Fig.8 55% corn starch/water under different tension speed

4 STF在沖擊緩沖方面的應用

STF流變性能、沖擊和拉伸性能的研究為其應用提供了很好的理論基礎。目前，剪切增稠液相關材料被廣泛應用于個體防護裝備、抗沖擊緩沖材料和液體減震等方面。本文對現(xiàn)階段剪切增稠液的應用情況和發(fā)展趨勢進行分析。

4.1 液體防護材料

傳統(tǒng)的人體防護材料為硬質(zhì)或半硬質(zhì)材料，這些防護裝備會限制人體的活動，穿著的舒適性差，而且無法全身防護。為了解決這個問題，將剪切增稠液與高性能纖維織物復合制備出新型“液體防護材料”，做到既薄又柔，且更加安全。采用這種材料可以制造帶有袖子和褲腿的全套服裝，保護人體的任何部位。真正實現(xiàn)了防護性能和穿著舒適性的統(tǒng)一。STF/織物復合材料的制備，主要是通過STF來浸漬織物。首先，將固體粒子均勻地分散到介質(zhì)中。當分散體系的濃度較高時，需要采用乙醇來進行稀釋，這樣才能保證對織物的完全均勻浸漬。稀釋的溶液采用壓軋的方式來浸漬織物，將浸漬后的織物放入烘箱，進行加熱，使乙醇完全揮發(fā)，制備STF/織物復合材料。

(a) 防刺性能

許多學者采用了相似的方法來研究復合織物的防彈和防刺性能，如圖9所示。研究表明，加入STF后，織物的防彈和防刺效果顯著提高[55-56]。Egres等將四層織物與8 ml的STF以不同的方式進行組合發(fā)現(xiàn)，STF完全浸漬的織物具有最小的穿透深度，由于STF增稠，抗沖擊性能得到提高。Majumdar等[57-59]分析了SiO2濃度、浸軋的壓力及稀釋比等因素對防護性能的影響。研究表明，增加SiO2濃度及浸軋的壓力可以提高復合織物的能量吸收程度。Wetzel等[60]將STF與芳綸機織布進行復合，來測試其防刺性能。在相同的面密度下，12層的STF浸漬織物防刺性能優(yōu)于15層的純織物。Gurgent等研究了在SiO2/PEG分散體系中加入不同粒徑的SiC粒子后防刺性能，加入硬度高的粒子后，可以顯著提高復合材料的防錐刺和防割性能。粗糙度更高的SiC粒子可以顯著增強纖維的抽拔力。

STF浸漬織物的防護機理主要包括三個方面：① 增加了紗線間的摩擦力從而提高了紗線抽拔能量；② STF增稠時吸收的沖擊能量；③ 更好的耦合作用，將應力傳遞到更大的區(qū)域。當受到子彈、彈片或刀具沖擊時，STF在沖擊作用下發(fā)生增稠，在此過程中吸收部分能量。同時增稠后的STF可以大大地增加纖維與纖維，及紗線之間的摩擦力，增加了紗線從織物中抽拔能量。另外，增稠后的織物的剛度增大，整體性更好，有利于沖擊應力傳遞到更大的區(qū)域，可以減小背凸造成的鈍傷。

4.2 沖擊緩沖材料

人們在日常生活中經(jīng)常會遭受一些撞擊傷害，如摩托車、冰球等運動項目中的激烈沖撞，以及老年人的跌倒等。目前的民用抗沖擊服裝及配件通常為硬質(zhì)殼產(chǎn)品，限制人體的運動，既不靈活又不舒適。另有一些柔性的聚氨酯泡沫緩沖材料，但熱濕舒適性差。因此，需要研發(fā)一種防護效果優(yōu)良，同時又具有較好穿著舒適性的緩沖防護材料。

經(jīng)編間隔織物是一種三維結(jié)構(gòu)的中空織物，具有很好的緩沖效果及透濕、傳熱性能,舒適性能優(yōu)異。將間隔織物與STF進行復合可以制備出積極抗沖擊防護材料。該材料具有較大的孔隙，具有柔韌性和透氣性，同時又具有優(yōu)異的抗沖擊緩沖性能。作者采用STF來填充經(jīng)編間隔織物[61]，制備出新型的緩沖材料，通過落錘沖擊測試，在間隔層中加入STF后，復合材料的剛度明顯提高，可以克服純織物抵抗力差的問題。同時，沖擊峰值載荷明顯降低，吸收的沖擊能量也相應增加。

(a) 間隔織物與STF填充

織物的沖擊曲線圖

(b) DEFLEXION?

積極防護織物示意圖

圖10 STF填充間隔織物緩沖材料

Fig.10 STF filled spacer fabric impact curve

為了提高復合織物的耐水性和可洗性，美國著名的硅膠原料制造商Dow Corning公司制備了一種具有剪切增稠的硅膠。利用間隔織物為基材，在其中間層中填入剪切增稠硅膠生產(chǎn)出一種防沖擊和舒適并存的抗機械沖擊防護服,稱為主動防御系統(tǒng)，商標名為“DEFLEXION?”[62]。該織物遇到?jīng)_擊或壓迫時會立即變硬，從而保護人體免受傷害，同時還具備透氣性、柔韌性、靈活性和可洗性。

目前，英國D3O公司[63]采用聚氨酯材料為基體并在其中加入添加劑和硼化聚二甲基硅氧烷(PBDMS)制備一種剪切增稠膠。這種膠在常態(tài)下可以流動，當受到?jīng)_擊時，增稠膠中粒子會互鎖使體系立刻變硬成為一個整體，起到很好的緩沖吸能效果，如圖11所示。目前該產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應用于抗沖擊裝備，如摩托車手服裝，士兵頭盔緩沖墊、電子設備保護套和減振鞋底等。

圖11 D3O增稠膠及機理

4.3 阻尼減振器

液壓阻尼器被應用到各種車輛的減振器中。由于剪切增稠液的良好緩沖吸能效果，將液壓油換成STF，即可做成黏性阻尼器。STF減振器解決了現(xiàn)有采用液壓油的減振器減振和恢復效果不夠理想的問題。Zhang等[64-66]采用納米SiO2分散在乙二醇中制備了剪切增稠液，并將其填充到減振器中，制備STF減振器，如圖12所示。并通過振動測試系統(tǒng)來測試不同的載荷下減振器的響應。結(jié)果表明，減振器具有明顯的滯后行為，在不同的振動頻率下，阻尼器的剛度和阻尼性能會隨之變化。動態(tài)加載速度會顯著影響STF的黏彈性能，從而影響阻尼器的能量吸收和剛度。在高的加載速度下，STF減振器具有更高的阻尼特性同時吸收更多的能量?？梢愿鶕?jù)不同的減振場合需要，來配置不同濃度固體粒子的增稠體系，以達到最好的緩沖吸能效果。Yeh等[67]研究了可以用于建筑物的抗震的STF阻尼器。采用氣相納米二氧化硅分散在不同分子量的PPG中制成STF，并將其填充到液壓管中，制成新型的被動式STF阻尼器。阻尼性能測試表明，滯后圈的面積和形狀隨著加載條件變化而變化，阻尼性能能夠根據(jù)振動速度而調(diào)整。并利用泊肖葉流動的基本方程，得出了阻尼力與STF黏度、阻尼器結(jié)構(gòu)的關系。

圖12 STF填充減振器

4.4 其他方面的應用

除了上述的三大應用方面外，STF還被應用其他相關的領域。如Fischer等[68]設計了PVC梁與STF的疊層三明治結(jié)構(gòu)減振梁，當改變加載的應變或頻率時，復合梁的剛度和阻尼性能也隨之改變，實現(xiàn)了動態(tài)變形下調(diào)諧部分剛度和阻尼的目的。Tian等[69]將硅橡膠和硅油混合制成具有剪切增稠的彈性體。試驗表明，在較低角頻率下，儲能模量隨著角頻率的增大有輕微的增長趨勢。當剪切頻率大于臨界值時，儲能模量突然增大，材料剪切變硬。由于硅膠更為穩(wěn)定，該材料更易于保存和封裝。蔣學爭等[70]利用剪切增稠液設計了一種基于剪切增稠液的智能減速帶，減速帶突起部分下設有缸體，內(nèi)有剪切增稠液體，能夠根據(jù)車速自動改變對外剛度。對高速車輛起到顛簸和警示作用，而低速車輛可以無顛簸、舒適地通過。

5 結(jié) 論

剪切增稠液獨特的流變性能和能量吸收能力，使其在抗沖擊和緩沖領域有了新的用武之地，在軍事和民用上都具有廣闊的應用前景。在防彈防刺領域，可以做到增加防護性能，同時柔軟、輕薄，解決了材料防護性與靈活性之間的矛盾。在民用緩沖防護領域，可以大大減輕各種沖擊對人體形成的鈍傷，解決了抗沖擊服裝的防護性和熱濕舒適性之間的矛盾。但目前剪切增稠復合材料的制備仍具備較高標準，針對不同的防護緩沖領域應針對性地研究開發(fā)合適的增稠體系。同時剪切增稠領域還存在著一些根本性的共性問題：

(1) STF的增稠機理還存在爭議。目前還沒有一個通用的模型來描述和解釋增稠的微結(jié)構(gòu)變化及轉(zhuǎn)化機理。同一因素對不同分散體系的增稠效果影響可能出現(xiàn)不同的結(jié)果。各種不同的模型僅針對特定的不同組分的分散體系。因此，對增稠機理的研究仍需進一步加強。

(2) STF在增稠后的流變性能和力學響應仍需深入研究分析。在沖擊條件下，STF的力學性能與粒子的濃度、硬度和邊界條件等因素的關系仍需進一步研究。為開發(fā)高性能的抗沖擊設備提供更好的理論依據(jù)。

(3) 高速子彈防護機理研究仍需加強。目前STF與織物進行復合后，在高速鋼芯子彈沖擊時(速度大于300 m/s)， 防護效果的提升效果有限。如何制備適合高速子彈沖擊的剪切增稠體系，同時優(yōu)化設計織物的結(jié)構(gòu)形式來改變STF的邊界條件，來提升復合材料的抵抗能力，滿足高速子彈的防護要求仍是一個難題。目前，國外的研究機構(gòu)及相關公司剪切增稠領域的研發(fā)技術仍處于領先地位。近年來，國內(nèi)的科研院所也已經(jīng)取得較大的進步。我國的科研機構(gòu)及相關產(chǎn)業(yè)公司應重視剪切增稠材料的研發(fā)和利用，迎頭趕上，改變跟風研究的狀態(tài)。爭取在剪切增稠的研發(fā)技術及生產(chǎn)工藝上取得更大的突破。