Кіріспе

Кесу жылдамдығымен тұтқырлығы артатын материал. Дилатациялық (/d//aɪ/'/l//eɪ//t//ə//n//t/, /d//ɪ///) (сондай-ақ, кесу қалыңдауы) материал – тұтқырлығы кесу жылдамдығымен өсетін материал. Мұндай кесу қалыңдауы сұйықтығы, STF аббревиатурасымен де белгілі, Ньютон емес сұйықтықтың бір түрі болып табылады. Бұл қасиет әдетте таза материалдарда байқалмайды, бірақ суспензияларда кездесуі мүмкін. Дилатациялық материал – кесу тұтқырлығы қолданылған кесу кернеуімен артатын Ньютон емес сұйықтық. Бұл мінез-құлық Ньютонның тұтқырлық заңынан ауытқудың бір түрі ғана және бөлшектердің мөлшері, пішіні және таралуы сияқты факторлармен анықталады. Бұл суспензиялардың қасиеттері Хамакер теориясы мен Ван дер Ваальс күштеріне байланысты және электростатикалық немесе стерикалық тұрақтандырылуы мүмкін. Кесу қалыңдауының мінез-құлқы коллоидты суспензия тұрақты күйден флокуляция күйіне ауысқанда пайда болады. Бұл жүйелердің қасиеттерінің көп бөлігі дисперсиядағы коллоидтар деп аталатын бөлшектердің беттік химиясына байланысты. Бұл жүгері ұны мен судың қоспасымен (кейде оублэк деп аталады) оңай байқалады, ол бетке тигенде немесе лақтырылғанда күтпеген әрекеттер көрсетеді. Толығымен суға батқан құм да дилатациялық материал сияқты әрекет етеді – осы себепті ылғалды құмда жүргенде, аяқ астында құрғақ аймақ пайда болады. Реопектика – бұл ұқсас қасиет, онда тұтқырлық уақыт өте келе жинақталған кернеу немесе қозғалыс әсерінен артады. Дилатациялық материалдың керісі – псевдопластикалық материал.

Тұрақтандырылған аспалар

Суспензия – әр түрлі гетерогенді фазаға таратылған ұсақ бөлшектік фазадан тұрады. Сұйық фазада шашыраған қатты бөлшектік фазасы бар жүйелерде қалыңдау (shear thickening) мінез-құлқы байқалады. Бұл ерітінділер коллоидтан тұрақсыздығымен ерекшеленеді; дисперсиядағы қатты бөлшектер тұну үшін жеткілікті үлкен болғандықтан, ақырында тұнады. Ал коллоидтегі дисперсияланған қатты заттар кішкентай болып, тұнбайды. Суспензияларды тұрақтандыру үшін электростатика және стерикалық әдістер сияқты бірнеше әдістер бар. Тұрақсыз суспензияда дисперсиялық бөлшектік фаза, гравитация немесе Хамакер тартылысы сияқты бөлшектерге әсер ететін күштерге жауап ретінде ерітіндіден шығады. Бұл күштердің бөлшекті ерітіндіден шығару әсерінің мөлшері бөлшектердің өлшеміне пропорционалды; үлкен бөлшектер үшін гравитациялық күштер бөлшектер арасындағы өзара әрекеттесуден басым, ал кішкентай бөлшектер үшін керісінше. Қалыңдау әдетте кішкентай, қатты бөлшектердің суспензиясында байқалады, бұл бөлшектік бөлшектер арасындағы Хамакер тартылысы басым күш екенін көрсетеді. Сондықтан, суспензияны тұрақтандыру үшін қарсы әрекет ететін итергіш күш енгізу қажет. Хамакер теориясы денелер арасындағы, мысалы, бөлшектер арасындағы тартылысты сипаттайды. Ван-дер-Ваальс күштерінің түсіндірілуін екі молекуланың индукцияланған дипольдері арасындағы өзара әрекеттесуден бастап, денелер арасындағы барлық молекулалық күштерді қосу арқылы макроскопикалық денелерге дейін кеңейтуге болатыны анықталды. Ван-дер-Ваальс күштеріне ұқсас, Хамакер теориясы бөлшектер арасындағы өзара әрекеттесу мөлшерін қашықтықтың квадратына кері пропорционалды деп сипаттайды. Сондықтан, көптеген тұрақтандырылған суспензиялар өзара әсерлесетін денелер жеткілікті қашықтықта болғанда Хамакер тартылысына басым келетін ұзақ қашықтықтағы итергіш күшті қамтиды, бұл денелердің бір-біріне жақындауына кедергі келтіреді. Алайда, қысқа қашықтықта Хамакер тартылысы басым болады, бұл бөлшектердің коагуляциялануына және ерітіндіден шығуына әкеледі. Суспензияларды тұрақтандыру үшін қолданылатын екі кең таралған ұзақ қашықтықтағы күш – электростатика және стерикалық.

Стерикалық тұрақтандырылған суспензиялар

Электростатикадан өзгеше, стерикалық тұрақтандырылған суспензиялар суспензияны тұрақтандыру үшін бөлшектердің бетіне бекітілген полимер тізбектерінің физикалық өзара әрекеттесуіне негізделген; адсорбцияланған полимер тізбектері суспензиядағы бөлшектерді Хамакердің тартымды күші үстемдік етіп, суспензиядан түсірмейтіндей жеткілікті қашықтықта ұстау үшін аралық ретінде қызмет етеді. Полимерлер әдетте бөлшектің бетіне графикалық түрде немесе адсорбцияланады. Графикалық полимерлерде полимер тізбегінің негізгі тізбегі бөлшектің бетіне ковалентті байланысады. Ал адсорбцияланған полимер – лиофобтық және лиофильдік аймақтардан тұратын сополимер, онда лиофобтық аймақ бөлшектің бетіне ковалентті емес жабысады, ал лиофильдік аймақ стерикалық шекараны немесе аралықты құрайды.

Қиюдың қалыңдауының теориясы

Коллоидтағы дилатанттық, немесе қию күштерінің әсерімен реттелу қабілеті, бөлшектер арасындағы күштердің арақатынасына байланысты. Ван-дер-Ваальс сияқты бөлшектер аралық күштер басым болғанда, суспензиядағы бөлшектер реттелген қабаттарда қалады. Бірақ, қию күштері басым болғанда, бөлшектер флокуляция күйіне өтіп, енді суспензияда тұрақтамайды; олар қатты дене сияқты қасиет көрсете бастайды. Қию күштері тоқтатылғанда, бөлшектер таралып, қайтадан тұрақты суспензия құрайды. Қию қалыңдауының мінез-құлқы сұйықтықтағы қатты бөлшектердің көлемдік үлесіне тікелей байланысты. Көлемдік үлес жоғары болған сайын, қию қалыңдауын бастау үшін аз қию күші қажет болады. Сұйықтың Ньютондық ағысынан қию қалыңдауына өту кезіндегі қию жылдамдығы, сындық қию жылдамдығы деп аталады.

Қалыптылықтан тәртіпсіздікке ауысу

Концентрацияланған тұрақтандырылған ерітіндіде салыстырмалы түрде төмен қиып алу жылдамдығында бөлшектердің өзара тебілісу күштері бөлшектерді реттелген, қабатты, тепе-теңдік құрылымында ұстап тұрады. Бірақ, қиып алу жылдамдығы сыныптық қиып алу жылдамдығынан асып кеткенде, бөлшектерді жақындастыратын қиып алу күштері бөлшектердің тебілісу күштерін жеңіп, бөлшектерді тепе-теңдік орнынан шығарады. Бұл ретсіз құрылымға алып келеді, нәтижесінде тұтқырлық артады. Мұндағы сыныптық қиып алу жылдамдығы – бөлшектерді бір-біріне итермелейтін қиып алу күштерінің бөлшектердің тебілісу күштеріне тең болатын жылдамдық ретінде анықталады.

Гидрокластерлеу

Тұрақтандырылған суспензияның бөлшектері қозғалмайтын күйден қозғалмалы күйге ауысқанда, бөлшектердің шағын топтамалары гидрокластерлерді құрайды, осылайша тұтқырлық артады. Бұл гидрокластерлер уақытша бір-біріне қысылған бөлшектерден тұрады, нәтижесінде бұлжыған, таяқша тәрізді бөлшектер тізбегі пайда болады, ол бөгетке немесе жол ағлағына ұқсас. Теория бойынша, бөлшектер арасындағы кеңістіктер өте кішкентай болғандықтан, бұл уақытша, өткінші гидрокластер сығылмайтын болып келеді. Агрегация арқылы қосымша гидрокластерлер пайда болуы мүмкін.

Жүгері крахмалы және су (ооbleck)

Жүгері крахмалы – тамақ дайындауда жиі қолданылатын қоюлатушы зат. Бұл сонымен қатар, қырқуға қатысты қатаюдың (shear thickening) өте жақсы мысалы. Су мен жүгері крахмалының 1:1,25 арақатысындағы қоспаға күш түсіргенде, ол қатты дене сияқты әрекет етеді және сол күшке қарсы тұрады.

Кремний және полиэтиленгликоль

Кремний нанобөлшектері полиэтиленгликоль ерітіндісіне таратылады. Кремний бөлшектері флокуляция кезінде жоғары беріктікке ие материалды қамтамасыз етеді. Бұл оларды сұйық дене бронесі және тежегіш қалыңдары сияқты қолдануларда пайдалануға мүмкіндік береді.

Тракция бақылауы

Дилатациялық материалдардың қалыңдау мінез-құлқына байланысты өнеркәсіптік қолданысқа ие. Мысалы, кейбір толық жетек жүйелері алдыңғы және артқы дөңгелектер арасында қуат беру үшін дилатациялық сұйықтыққа толы тұтқыр байланыс құрылғысын пайдаланады. Жолдың жоғары сүйемелдеме бетінде бас дөңгелектер мен қосымша дөңгелектердің салыстырмалы қозғалысы бірдей болады, сондықтан серпілу төмен және аз қуат беріледі. Бас дөңгелектер сырғана бастағанда серпілу артады, бұл сұйықтықтың қалыңдауына себеп болады. Сұйықтық қалыңдаған сайын, қосымша дөңгелектерге берілетін айналу моменті артады, толық қалыңдаған күйдегі ең жоғары қуатқа дейін. (Сондай-ақ, осы принцип бойынша жұмыс істейтін кейбір шектеулі тайғанатын дифференциалдарды қараңыз.) Оператор үшін бұл жүйе толығымен пассивті, қажет болған кезде барлық төрт дөңгелекті қосып, қажеттілік болмағанда екі дөңгелекті жетекке қайтарады. Бұл жүйе көбінесе жол көліктерінде қолданылады, өйткені дилатациялық сұйықтықтың максималды тұтқырлығы байланыс арқылы берілетін айналу моментін шектейді.

Дене қорғаны

Әртүрлі корпоративтік және мемлекеттік ұйымдар дене қорғанысы ретінде пайдалану үшін қалыңдығын қалыңдататын сұйықтықтарды зерттеуде. Мұндай жүйе киюшіге қалыпты қозғалыс диапазонына мүмкіндік береді, бірақ бірқатар шабуылдарға, мысалы, оқтан тесілуге, пышақпен ұруға және осы сияқты жағдайларға қарсы тұру үшін қатайып, қаттылық береді. Бұл принцип тікелей қапталдан жасалған қару-жараққа ұқсас, бірақ дилатациялық сұйықтықты пайдаланатын дене қорғанысы әлдеқайда жеңіл болады. Дилатациялық сұйықтық күшті соққының әсерін пайдаланушының денесінің кеңірек аумағына таратып, соққының күшін азайтады. Дегенмен, дилатациялық сұйықтық баяу шабуылдарға, мысалы, бірақ күшті ұрып-соғу сияқты жағдайларға қарсы қосымша қорғаныс бермейді, себебі бұл жағдайда сұйықтық ағып тұрады. Бір зерттеуде стандартты кевлар матасы, кевлардан жасалған композиттік бронь және авторлық құқықпен қорғалған қалыңдығын қалыңдататын сұйықтықтармен салыстырылды. Нәтижелер кевлар және сұйықтықтың комбинациясы, кевлардың үштен бір бөлігінен де аз мөлшерде болғанына қарамастан, таза кевлар матасынан жақсы нәтиже көрсеткенін көрсетті. 2002 жылы АҚШ Армиясының зерттеу зертханасы және Делавэр университетінің зерттеушілері сұйық бронь, яғни дене қорғанысында қалыңдығын қалыңдататын сұйықтықты пайдалануды зерттеуді бастады. Зерттеушілер бұл сұйықтықпен сіңірілген кезде кевлар сияқты берік маталарды оқтан және пышақтан қорғайтын етіп жасауға болатынын көрсетті. «Сұйық бронь» технологиясының мақсаты – қазіргі кевлар матасымен салыстырғанда теңдей немесе одан да жақсы баллистикалық қасиеттерге ие, арзан және жеңіл жаңа материал жасау. Сұйық бронь бойынша жұмысы үшін ARL инженер-механигі Эрик Ветцель және оның командасы 2002 жылы Армия ғылымының ең жоғары наградасы – Пол А. Сипл сыйлығымен марапатталды. D3O компаниясы кең ауқымды стандартты және арнайы қолданыстарда, соның ішінде мотоцикл және экстремалды спорт түрлеріндегі қорғаныш жабдықтарында, өнеркәсіптік жұмыс киімдерінде, әскери қолданыстарда және электрониканы соққыдан қорғауда қолданылатын Ньютондық емес материалды ойлап тапты. Бұл материалдар қалыпты кию кезінде икемділікке мүмкіндік береді, бірақ күшті соққыға ұшырағанда қатты болып, қорғаныс функциясын атқарады. Кейбір өнімдер тікелей сатылатын болса да, олардың өндіріс қуатының көп бөлігі басқа компанияларға материалды сатуға және лицензиялауға жұмсалады, олар оны өздерінің қорғаныш өнімдерінің желілерінде пайдаланады.