Введение

Материал, в котором вязкость увеличивается с ростом скорости сдвига деформации.

Дилатантный (/d//aɪ/'/l//eɪ//t//ə//n//t/, /d//ɪ/) (также называемый материалом, демонстрирующим увеличение вязкости при сдвиге) – это материал, в котором вязкость увеличивается с ростом скорости сдвига деформации. Такая жидкость, демонстрирующая увеличение вязкости при сдвиге, также известная как STF (shear thickening fluid), является примером не ньютоновской жидкости. Такое поведение обычно не наблюдается в чистых веществах, но может возникать в суспензиях. Дилатант – это не ньютоновская жидкость, в которой вязкость при сдвиге увеличивается с ростом приложенного напряжения сдвига. Это поведение – лишь один из видов отклонений от закона вязкости Ньютона, и на него влияют такие факторы, как размер, форма и распределение частиц. Свойства этих суспензий зависят от теории Хамакера и сил Ван-дер-Ваальса и могут быть стабилизированы электростатически или стерически. Увеличение вязкости при сдвиге происходит, когда коллоидная суспензия переходит из стабильного состояния в состояние флокуляции. Значительная часть свойств этих систем обусловлена поверхностной химией частиц в дисперсии, известных как коллоиды. Это легко увидеть на примере смеси кукурузного крахмала и воды (иногда называемой «ооблек»), которая ведет себя контринтуитивно при ударе или броске о поверхность. Песок, полностью пропитанный водой, также проявляет свойства дилатанта – именно поэтому при ходьбе по мокрому песку под ногами образуется сухое пятно. Реопектичность – это схожее свойство, при котором вязкость увеличивается с кумулятивным напряжением или перемешиванием с течением времени. Противоположностью дилатанта является псевдопластик.

Стабилизационные подвески

Суспензия состоит из мелкодисперсной фазы, рассеянной в другой, гетерогенной фазе. Поведение, характеризующееся увеличением вязкости при сдвиге, наблюдается в системах с твердой, частичной фазой, диспергированной в жидкой фазе. Эти растворы отличаются от коллоидов своей нестабильностью; твердые частицы в дисперсии достаточно велики, чтобы подвергаться седиментации и в конечном итоге оседать. В то время как твердые частицы, диспергированные в коллоиде, меньше и не оседают. Существует несколько методов стабилизации суспензий, включая электростатическую и стерическую стабилизацию. В нестабильной суспензии дисперсная, частичная фаза выходит из раствора под действием сил, воздействующих на частицы, таких как гравитация или притяжение Хамакера. Величина влияния этих сил на выведение частичной фазы из раствора пропорциональна размеру частиц; для крупных частиц гравитационные силы преобладают над межчастичным взаимодействием, в то время как для мелких частиц наблюдается обратная зависимость. Поведение, характеризующееся увеличением вязкости при сдвиге, обычно наблюдается в суспензиях мелких твердых частиц, что указывает на то, что притяжение Хамакера между частицами является доминирующей силой. Следовательно, стабилизация суспензии зависит от введения противодействующей отталкивающей силы. Теория Хамакера описывает притяжение между телами, такими как частицы. Было установлено, что объяснение сил Ван-дер-Ваальса можно масштабировать от описания взаимодействия между двумя молекулами с индуцированными диполями до тел макроскопического размера путем суммирования всех межмолекулярных сил между телами. Подобно силам Ван-дер-Ваальса, теория Хамакера описывает величину межчастичного взаимодействия как обратно пропорциональную квадрату расстояния. Поэтому многие стабилизированные суспензии включают в себя отталкивающую силу дальнего действия, которая преобладает над притяжением Хамакера, когда взаимодействующие тела находятся на достаточном расстоянии, эффективно предотвращая их сближение. Однако на коротких расстояниях притяжение Хамакера доминирует, вызывая коагуляцию частиц и их выпадение из раствора. Двумя распространенными силами дальнего действия, используемыми для стабилизации суспензий, являются электростатические и стерические силы.

Стерильно стабилизированные суспензии

В отличие от электростатических суспензий, стерически стабилизированные суспензии опираются на физическое взаимодействие полимерных цепей, прикрепленных к поверхности частиц, для поддержания стабильности суспензии. Адсорбированные полимерные цепи выступают в качестве спейсера, удерживая взвешенные частицы на достаточном расстоянии, чтобы предотвратить доминирование притяжения Хамакера и осаждение частиц. Полимеры обычно прививаются или адсорбируются на поверхность частиц. В случае привитых полимеров, основной каркас полимерной цепи ковалентно связан с поверхностью частицы. Адсорбированный полимер, напротив, является сополимером, состоящим из лиофобных и лиофильных областей, где лиофобная область нековалентно прикрепляется к поверхности частицы, а лиофильная область формирует стерический барьер или спейсер.

Теории, лежащие в основе поведения сжимания

Дилатация в коллоиде, или его способность к упорядочению под воздействием сил сдвига, зависит от соотношения между частицами. До тех пор, пока доминируют межчастичные силы, такие как силы Ван-дер-Ваальса, взвешенные частицы остаются в упорядоченных слоях. Однако, как только силы сдвига становятся преобладающими, частицы переходят в состояние флокуляции и перестают оставаться во взвешенном состоянии, начиная вести себя как твердое тело. При снятии сил сдвига частицы расходятся и вновь образуют стабильную суспензию. Склонность к утолщению при сдвиге сильно зависит от объемной доли твердых частиц, взвешенных в жидкости. Чем выше объемная доля, тем меньший сдвиг требуется для проявления этого поведения. Скорость сдвига, при которой жидкость переходит от ньютоновской течения к утолщению при сдвиге, называется критической скоростью сдвига.

Переход от порядка к беспорядку

При сдвиге концентрированного стабилизированного раствора с относительно низкой скоростью сдвига, отталкивающие взаимодействия между частицами удерживают их в упорядоченной, слоистой, равновесной структуре. Однако при скоростях сдвига, превышающих критическую, силы сдвига, стремящиеся сблизить частицы, преодолевают эти отталкивающие взаимодействия, выталкивая частицы из их равновесного положения. Это приводит к разупорядоченной структуре и увеличению вязкости. Критическая скорость сдвига определяется как скорость сдвига, при которой силы сдвига, стремящиеся сблизить частицы, равны силам отталкивания между частицами.

Гидрокластеризация

Когда частицы стабилизированной суспензии переходят из неподвижного состояния в подвижное, формируются небольшие скопления частиц, образующие гидрокластеры и повышающие вязкость. Эти гидрокластеры состоят из частиц, временно сжатых вместе, образуя нерегулярную, вытянутую цепь частиц, подобную затору или пробке. Теоретически, межчастичные зазоры в них чрезвычайно малы, что делает этот мимолетный, переходный гидрокластер практически несжимаемым. Дополнительные гидрокластеры могут образовываться в результате агрегации.

Кукурузный крахмал и вода (ооблек)

Кукурузный крахмал — распространенное загустительное средство, используемое в кулинарии. Это также очень хороший пример системы, демонстрирующей эффект сдвигового утолщения. Когда к смеси воды и кукурузного крахмала в соотношении 1:1,25 прикладывается сила, смесь ведет себя как твердое тело и сопротивляется этой силе.

Кремний и полиэтиленгликоль

Наночастицы диоксида кремния диспергированы в растворе полиэтиленгликоля. Частицы диоксида кремния придают материалу высокую прочность при флокуляции. Это позволяет использовать его в таких областях применения, как жидкостная броня и тормозные колодки.

Контроль тяги

Дилатантные материалы имеют определенное промышленное применение благодаря их свойству уплотняться при сдвиге. Например, некоторые системы полного привода используют вязкостную муфту, заполненную дилатантной жидкостью, для передачи мощности между передними и задними колесами. На дорожном покрытии с высоким сцеплением относительное движение между основными и ведомыми колесами одинаковое, поэтому сдвиг невелик и передается небольшая мощность. Когда основные ведущие колеса начинают пробуксовывать, сдвиг увеличивается, что приводит к увеличению вязкости жидкости. По мере увеличения вязкости, крутящий момент, передаваемый на ведомые колеса, пропорционально возрастает, пока не будет достигнут максимальный крутящий момент, который возможно передать в полностью загустевшем состоянии. (См. также дифференциал повышенного трения, некоторые типы которого работают по тому же принципу.) Для водителя эта система полностью пассивна: она автоматически подключает все четыре колеса при необходимости и возвращается к приводу на два колеса, когда потребность отпадает. Эта система обычно используется в дорожных транспортных средствах, а не во внедорожных, поскольку максимальная вязкость дилатантной жидкости ограничивает величину крутящего момента, который может быть передан через муфту.

Бронежилеты

Различные корпоративные и государственные организации изучают применение жидкостей, демонстрирующих эффект сдвигового утолщения, для использования в качестве бронежилетов. Такая система может обеспечить пользователю гибкость при обычных движениях, но при этом придавать жесткость для сопротивления пробитию пулями, ударам ножом и аналогичным атакам. Принцип схож с тем, что используется в кольчужных доспехах, хотя бронежилет с использованием дилатантной жидкости был бы значительно легче. Дилатантная жидкость распределит силу внезапного удара по большей площади тела пользователя, снижая травматическое воздействие. Однако дилатантная жидкость не обеспечит дополнительной защиты от медленных атак, таких как медленный, но сильный удар, который позволит жидкости течь. В одном исследовании стандартная кевларовая ткань была сравнена с композитным бронематериалом из кевлара и запатентованной жидкости, демонстрирующей эффект сдвигового утолщения. Результаты показали, что комбинация кевлара и жидкости превзошла чистый кевларовый материал, несмотря на то, что толщина кевлара была менее чем в одну треть. В 2002 году исследователи из Исследовательской лаборатории армии США и Университета Делавера начали изучать использование «жидкой брони», то есть жидкости, демонстрирующей эффект сдвигового утолщения, в бронежилетах. Исследователи продемонстрировали, что высокопрочные ткани, такие как кевлар, могут стать более пуленепробиваемыми и устойчивыми к проколам при пропитке этой жидкостью. Цель технологии «жидкой брони» — создать новый материал, который был бы недорогим и легким, при этом обладал бы эквивалентными или превосходящими баллистическими свойствами по сравнению с существующей кевларовой тканью. За свою работу над «жидкой броней» доктор Эрик Ветцель, инженер-механик ARL, и его команда были удостоены премии Пола А. Сипля в 2002 году — высшей награды армии за научные достижения, вручаемой на Армейской научной конференции. Компания D3O изобрела материал на основе неньютоновской жидкости, который получил широкое применение в различных стандартных и специализированных областях, включая защитную экипировку для мотоциклистов и экстремальных видов спорта, спецодежду для промышленности, военное применение и защиту электроники от ударов. Материалы обеспечивают гибкость при нормальной носке, но становятся жесткими и защитными при сильном ударе. Хотя некоторые продукты продаются напрямую, большая часть производственных мощностей компании направлена на продажу и лицензирование материала другим компаниям для использования в их собственных линейках защитных продуктов.