Войти
A дилатант (, ) (также называемый сгущение при сдвиге ) материал, в котором вязкость увеличивается со скоростью деформации сдвига. Такая загущающая жидкость при сдвиге, 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 вязкость сдвига увеличивается с приложенным напряжением сдвига. Такое поведение является лишь одним из типов отклонения от закона Ньютона, и оно 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. Загустевание при сдвиге происходит, когда коллоидная суспензия переходит из стабильного состояния в состояние флокуляции. Большая часть свойств этих систем обусловлена химией поверхности частиц в дисперсии, известной как коллоиды.
. Это легко увидеть со смесью кукурузного крахмала и воды. (иногда называемый oobleck ), который действует нелогично при ударе или ударе о поверхность. Песок, полностью пропитанный водой, также ведет себя как дилатант. Это причина того, почему при ходьбе по мокрому песку прямо под ногами появляется сухая зона.
Реопекция - это аналогичное свойство, при котором вязкость увеличивается при совокупном напряжении или волнении с течением времени. Противоположностью дилатантному материалу является псевдопласт.
Есть два типа отклонений от закона Ньютона, которые наблюдаются в реальных системах. Наиболее частым отклонением является разжижение при сдвиге, когда вязкость системы уменьшается по мере увеличения скорости сдвига. Второе отклонение - это сгущение при сдвиге, когда по мере увеличения скорости сдвига вязкость системы также увеличивается. Такое поведение наблюдается, потому что система кристаллизуется под воздействием напряжения и ведет себя больше как твердое тело, чем как раствор. Таким образом, вязкость загущающей сдвиг жидкости 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 раздел «Примеры» ниже.
Параметры, которые управляют поведением сгущения при сдвиге, включают: размер частиц и гранулометрический состав, объемную долю частиц, форму частиц, взаимодействие частиц с частицами, вязкость непрерывной фазы, а также тип, скорость и время деформации. В дополнение к этим параметрам все жидкости для загущения при сдвиге представляют собой стабилизированные суспензии и имеют относительно высокую объемную долю твердого вещества.
Вязкость раствора как функция скорости сдвига задается с помощью уравнения степенного закона, где η - вязкость, K - постоянная, зависящая от материала, а γ̇ - приложенная скорость сдвига.
Дилатантное поведение возникает, когда n больше 1.
Ниже приводится таблица значений вязкости для некоторых распространенных материалов.
| Материал | Вязкость (сП) |
|---|---|
| Бензол | 0,60 |
| Тетрахлорид углерода | 0,88 |
| Этанол | 1,06 |
| Вода | от 1 до 5 |
| Ртуть | 1,55 |
| Пентан | 2,24 |
| Кровь | 10 |
| Антифриз | 14 |
| Серная кислота | 27 |
| Кленовый сироп | 150–200 |
| Мед | 2,000–3,000 |
| Шоколадный сироп | 10,000–25,000 |
| Кетчуп | 50,000–70,000 |
| Арахисовое масло | 150,000– 250,000 |
A суспензия состоит из мелкодисперсной фазы, диспергированной в различных гетерогенных фазах. Сгущение при сдвиге наблюдается в системах с твердой дисперсной фазой в жидкой фазе. Эти решения отличаются от коллоида тем, что они нестабильны; твердые частицы в дисперсии достаточно велики для седиментации, что в конечном итоге приводит к их осаждению. В то время как твердые частицы, диспергированные в коллоиде, меньше по размеру и не оседают. Существует несколько методов стабилизации суспензий, включая электростатические и стерические.
Энергия отталкивания как функция разделения частиц В нестабильной суспензии дисперсная фаза частиц будет выходить из раствора в ответ на силы, действующие на частицы, такие как гравитация или притяжение Гамакера. Величина воздействия этих сил на вытягивание фазы твердых частиц из раствора пропорциональна размеру частиц; для крупных частиц гравитационные силы больше, чем взаимодействия частиц с частицами, тогда как для мелких частиц верно обратное. Сгущение 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 Гамакера описывает притяжение между телами, такими как частицы. Стало понятно, 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 частица-частица как обратно пропорциональную квадрату расстояния. Следовательно, многие стабилизированные подвески включают дальнодействующую силу отталкивания, которая доминирует над притяжением Гамакера, когда взаимодействующие тела находятся на достаточном расстоянии, эффективно предотвращая сближение тел друг с другом. Однако на коротких расстояниях преобладает притяжение Гамакера, в результате чего частицы коагулируются и выпадают из раствора. Две общие дальнодействующие силы, используемые для стабилизации суспензий, - это электростатические и стерические.
Частица в растворе, стабилизированная с помощью электростатической силы двойного слоя Суспензии одинаково заряженных частиц, диспергированных в жидком электролите, стабилизируются за счет эффекта, описываемого двухслойной моделью 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 с равным и противоположным зарядом, эффективно делая поверхностный заряд нейтральным. Однако диффузный слой создает вокруг частицы потенциал, отличный от основного электролита.
Диффузный слой служит дальнодействующей силой для стабилизации частиц. Когда частицы находятся рядом друг с другом, диффузный слой одной частицы перекрывается со слоем другой частицы, создавая силу отталкивания. Следующее уравнение обеспечивает энергию между двумя коллоидами в результате взаимодействия Гамакера и электростатического отталкивания.
где:
= избыток поверхности,
= обратная длина Дебая.
Частица в суспензии, стабилизированная стерическими препятствиями. В отличие от электростатики, стерически стабилизированные суспензии основаны на физическом взаимодействии полимерных цепей, прикрепленных к поверхности частиц, для поддержания стабильности суспензии; адсорбированные полимерные цепи действуют как разделитель, удерживая взвешенные частицы разделенными на достаточном расстоянии, чтобы не допустить доминирования притяжения Гамакера и вытягивания частиц из суспензии. Полимеры обычно либо привиты, либо адсорбируются на поверхности частицы. С привитыми полимерами основа полимерной цепи ковалентно связана с поверхностью частицы. В то время 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 упорядочиваться в присутствии сил сдвига зависит от соотношения сил между частицами. Пока доминируют межчастичные силы, такие как силы Ван-дер-Ваальса, взвешенные частицы остаются в упорядоченных слоях. Однако, как только сдвиговые силы преобладают, частицы входят в состояние флокуляции и больше не удерживаются во взвешенном состоянии; они начинают вести себя как твердое тело. Когда силы сдвига снимаются, частицы разлетаются и снова образуют стабильную суспензию. Это противоположно эффекту разжижения при сдвиге, когда суспензия изначально находится в состоянии флокуляции и становится стабильной при приложении напряжения.
Поведение загустевания при сдвиге сильно зависит от объемной доли твердых частиц, взвешенных в жидкости.. Чем выше объемная доля, тем меньший сдвиг требуется для инициирования сдвигового утолщения. Скорость сдвига, при которой жидкость переходит от ньютоновского течения к сгущению при сдвиге, известна как критическая скорость сдвига.
При сдвиге концентрированного стабилизированного раствора при относительно низкой скорости сдвига отталкивающие взаимодействия частицы-частицы удерживают частицы в упорядоченной, слоистой, равновесной структуре. Однако при скоростях сдвига, превышающих критическую скорость сдвига, сдвигающие силы, толкающие частицы вместе, преодолевают отталкивающие взаимодействия частица-частица, вынуждая частицы выходить из их положения равновесия. Это приводит к неупорядоченной структуре, вызывая увеличение вязкости.
Критическая скорость сдвига здесь определяется как скорость сдвига, при которой сдвигающие силы, толкающие частицы вместе, эквивалентны отталкивающим взаимодействиям частиц.
Переходная гидрокластеризация частиц в растворе. Когда частицы стабилизированной суспензии переходят из неподвижного состояния в подвижное состояние, небольшие группы частиц образуют гидрокластеры, увеличивая вязкость. Эти гидрокластеры состоят из частиц, на мгновение сжимающихся вместе, образуя нерегулярную стержнеобразную цепочку частиц, похожую на затор или пробку. Теоретически частицы имеют чрезвычайно маленькие зазоры между частицами, что делает этот кратковременный переходный гидрокластер несжимаемым. Возможно, что дополнительные гидрокластеры будут образовываться в результате агрегации.
Кукурузный крахмал является обычным загустителем, используемым в кулинарии. Это также очень хороший пример системы сгущения сдвига. Когда к смеси воды и кукурузного крахмала в соотношении 1: 1,25 применяется сила, смесь действует как твердое вещество и сопротивляется силе.
Наночастицы диоксида кремния диспергированы в растворе полиэтиленгликоля. Когда происходит флокуляция, частицы диоксида кремния обеспечивают высокопрочный материал. Это позволяет использовать его в таких устройствах, как жидкая бронежилет и тормозные колодки.
Дилатантные материалы имеют определенное промышленное применение из-за их загустения при сдвиге. Например, в некоторых полноприводных системах используется узел вязкой муфты, заполненный жидкостью-дилатантом, 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 невелик и передается небольшая мощность. Когда ведущие ведущие колеса начинают проскальзывать, сдвиг увеличивается, в результате чего жидкость загустевает. По мере сгущения жидкости крутящий момент, передаваемый на вторичные ведущие колеса, пропорционально увеличивается до тех пор, пока не будет передана максимальная мощность, возможная в полностью сгущенном 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, когда это необходимо, и опускается обратно в два ведущих колеса как только отпала необходимость. 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 правительственные организации исследуют применение загустителей сдвига для использования в качестве бронежилетов. Такая система могла бы позволить пользователю гибкость для нормального диапазона движений, но при этом обеспечить жесткость, чтобы противостоять пробиванию пулями, колющим ударам ножом и подобным атакам. Принцип аналогичен принципу кольчужной брони, хотя бронежилет, использующий дилатант, будет намного легче. Дилатантная жидкость рассеивает силу внезапного удара по более широкой области тела пользователя, уменьшая травму от тупого удара. Тем не менее, против медленных атак, которые могут привести к течению, таких как медленный, но сильный удар, дилатант не обеспечит дополнительной защиты.
В одном исследовании сравнивалась стандартная ткань Kevlar к композитной броне из кевлара и запатентованной жидкости, загущающей сдвиг. Результаты показали, что комбинация кевлар / жидкость работает лучше, чем чистый кевлар, несмотря на то, что толщина кевлара составляет менее одной трети.
Четыре примера дилатантных материалов, используемых в средствах индивидуальной защиты: Armourgel, d3o, ArtiLage (пена для искусственного хряща) и «Active Protection System», произведенные Dow Corning.
. В 2002 г. исследователи из США Армейская исследовательская лаборатория и Университет Делавэра начали исследования использования жидкой брони или жидкости, загущающей сдвиг, в бронежилетах. Исследователи продемонстрировали, что высокопрочные ткани, такие как кевлар, могут стать более пуленепробиваемыми и устойчивыми к ударам при пропитке жидкостью. Целью технологии «жидкой брони» является создание нового материала, который является недорогим и легким, но при этом обладает эквивалентными или превосходными баллистическими свойствами по сравнению с нынешней тканью из кевлара.
За свою работу над жидкой броней, Dr. Эрик Ветцель, инженер-механик ARL, и его команда были награждены Премией Пола А. Сипла 2002 года, высшей наградой армии за научные достижения, на Армейской научной конференции.
