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SiO_2分散体系流变学研究及其在防护材料方面的应用
作 者: 伍秋美
导 师: 黄伯云;阮建明
学 校: 中南大学
专 业: 生物材料学
关键词: 剪切增稠液 临界剪切应力 储能模量 耗能模量 能量损耗 防护材料
分类号: TB34
类 型: 博士论文
年 份: 2007年
下 载: 237次
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内容摘要
剪切增稠体系是指在一定外力作用下粘度增大的体系,这种剪切增稠液(Shear Thickening Fluid:STF)是目前美国最新报道的“液体防弹材料”的关键材料,且在阻尼、控制设备方面也有重要的应用。对剪切增稠体系及其影响因素的研究有助于制备高性能的防护材料及阻尼、控制器件。本论文主要通过应力控制流变仪系统考察了SiO2含量、温度、频率、介质性质、电荷等因素对SiO2分散体系流变性和粘弹性的影响,同时还研究了各分散体系在应力剪切过程中的能耗及能耗与应变间的关系,此外通过穿刺和实弹射击试验,考察了由纳米颗粒组成的剪切增稠液与Kevlar织物复合后的防护性能。通过纳米SiO2/极性有机介质分散体系的流变性实验,发现体系都具有可逆性较好的剪切变稀、剪切增稠现象,且用“粒子簇”生成机理能进行较好的解释。通过本实验进一步证明了“粒子簇”的生成才是剪切增稠的主要原因,而“有序到无序”过程只可能是其中一个伴随过程。纳米SiO2/聚乙二醇(PEG)分散体系流变性研究表明,SiO2含量、粒径、温度、锥板间距、PEG平均分子量都不会改变体系由剪切变稀转为剪切增稠的临界剪切应力,但随着频率的增大,临界剪切应力增大,SiO2含量、温度、PEG平均分子量和频率都会影响体系的粘度与剪切增稠程度。首次考察了纳米SiO2/PEG分散体系在较高频率作用下的粘弹性。实验发现,随着剪切应力的增大,体系依次经历线性粘弹区、剪切变稀区和剪切增稠区。在线性粘弹区,储能模量(G′)与耗能模量(G″)基本保持不变;在剪切变稀区,G′明显减小,G″却基本保持不变;在剪切增稠区,G′与G″都随应力的增大而同步增大。线性区的G′与G″分别与SiO2体积分数的4.34和2.26次方成正比,且随着频率的增大,线性粘弹区变宽。在整个应力区间内,G″都大于G′,体系以消耗能量为主。通过积分应力—应变曲线所围成的面积,对体系能耗进行计算,发现体系的能耗(Ed)与最大应变(γo)间有如下指数关系:Ed=Aγon(A、n分别为常数)。增稠前,n基本为2;增稠后,n随PEG分子量的增大而增大。首次系统研究了有机极性介质(乙二醇、丙二醇、丁二醇、丙三醇、PEG)间的差别对纳米SiO2分散体系流变性、粘弹性的影响,并得出普遍规律:①体系临界剪切应力不仅与介质粘度有关,而且还与体系中固液间作用力的强弱有关,固液间作用和布朗运动越强的体系,临界剪切应力也越大;②剪切增稠前,Ed随γo的增大基本呈二次指数增长,而在剪切增稠区,n基本随介质粘度的增大而增大。深入研究了亚微米SiO2/乙二醇(EG)体系的流变性和粘弹性,并首次与纳米SiO2/EG体系进行了比较。实验发现对于亚微米SiO2/EG分散体系,其粘度和模量的增大幅度都大些。在增稠区,虽然亚微米SiO2/EG体系的能耗与应变间的指数n大于纳米SiO2体系,但能耗却较小。此外流变实验表明,临界剪切应力随体系电荷的增加而增大;SiO2颗粒越大,越有利于剪切增稠的发生,且临界剪切应力与粒径三次方成反比。通过穿刺实验和子弹时速为450 m/s的实弹射击实验,考察了纳米SiO2增稠体系处理的STF-Kevlar织物的防护性能。试验结果发现:四层纳米SiO2体系的STF-Kevlar织物能完全抵御从1.07米高空下落的24.0 J的穿刺物,而对于从0.75m高度下落的17.15 J的穿刺物,美国目前报道的亚微米SiO2体系的STF-Kevlar织物要用12层。对于高速运行的子弹,纳米SiO2体系的STF-Kevlar织物能明显减小非贯穿性损伤。此外,对于纳米SiO2(11 nm)增稠体系的STF-Kevlar样品,子弹突越层数明显少于空白Kevlar,而对于亚微米粒子体系的STF-Kevlar样品,子弹突越层数却没有明显减少。可见,不论作为防刺材料,还是防弹材料,纳米粒子增稠液处理的STF-Kevlar织物的防护性能都优于亚微米粒子体系的STF-Kevlar织物。
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全文目录
摘要 4-6 ABSTRACT 6-14 第一章 文献综述 14-35 1.1 前言 14 1.2 悬浮体系 14-16 1.2.1 悬浮体的结构 14 1.2.2 悬浮颗粒在分散介质中的相互作用力 14-16 1.3 分散体系的粘度 16-20 1.3.1 基本定义 16-17 1.3.2 浓分散体系的粘度 17-18 1.3.3 分散体系的流变类型 18-20 1.4 剪切增稠体系的研究现状 20-25 1.4.1 剪切增稠体系的主要特征 20 1.4.2 剪切增稠体系的研究进展 20-24 1.4.2.1 剪切增稠的微观机理 20-21 1.4.2.2 剪切增稠临界点的预测 21-23 1.4.2.3 影响剪切增稠的因素 23-24 1.4.3 存在的问题 24-25 1.5 粘弹体 25-29 1.5.1 基本概念 25-28 1.5.2 分散体系粘弹性研究进展 28-29 1.6 防护材料 29-32 1.6.1 防弹材料的历史变革 29-31 1.6.2 防弹衣的评价指标 31-32 1.6.3 防刺服的现状 32 1.7 剪切增稠液在防护材料方面的应用研究 32-33 1.7.1 研究背景 32 1.7.2 研究进展 32-33 1.8 本论文的研究内容 33-35 第二章 纳米SiO_2及其分散体系稳定性研究 35-44 2.1 引言 35 2.2 试剂及检测方法 35-37 2.2.1 试剂 35 2.2.2 透射电镜分析 35-36 2.2.3 Zeta粒度分析 36 2.2.4 红外光谱分析 36 2.2.5 XRD的测试 36 2.2.6 粉末有效密度测定 36-37 2.2.7 SiO_2/PEG200分散体系稳定性研究 37 2.3 结果与分析 37-43 2.3.1 TEM 37-38 2.3.2 粒度分布 38 2.3.3 红外光谱(IR)分析 38-39 2.3.4 X射线衍射分析 39 2.3.5 有效密度测定 39-40 2.3.6 沉降实验 40-43 2.4 本章小结 43-44 第三章 纳米SiO_2/聚乙二醇分散体系流变性研究 44-58 3.1 引言 44 3.2 实验 44-46 3.2.1 试剂 44 3.2.2 仪器 44-45 3.2.3 SiO_2分散体系的制备 45-46 3.2.4 实验方法 46 3.3 结果与讨论 46-57 3.3.1 稳态流变性能 46-47 3.3.2 动态流变性能 47-49 3.3.3 锥板间距对分散体系流变性的影响 49-51 3.3.4 频率对分散体系流变性的影响 51-52 3.3.5 分散相含量对分散体系流变性的影响 52-53 3.3.6 PEG分子量对分散体系流变性的影响 53-54 3.3.7 温度对分散体系流变性的影响 54-56 3.3.8 SiO_2粒径对分散体系流变性的影响 56-57 3.4 本章小结 57-58 第四章 纳米SiO_2/聚乙二醇分散体系粘弹性研究 58-74 4.1 引言 58 4.2 实验 58-59 4.2.1 试剂 58 4.2.2 仪器 58 4.2.3 分散体系的制备 58 4.2.4 实验方法 58-59 4.3 结果与讨论 59-73 4.3.1 粘弹性研究 59-67 4.3.1.1 SiO_2/PEG200分散体系粘弹性 59-60 4.3.1.2 频率对分散体系粘弹性的影响 60-62 4.3.1.3 SiO_2含量对分散体系粘弹性的影响 62-64 4.3.1.4 PEG平均分子量对分散体系粘弹性的影响 64-66 4.3.1.5 温度对分散体系粘弹性的影响 66 4.3.1.6 SiO_2粒径对分散体系粘弹性的影响 66-67 4.3.2 SiO_2/PEG分散体系能耗研究 67-73 4.3.2.1 能耗的计算 67-71 4.3.2.2 PEG平均分子量对分散体系能耗的影响 71 4.3.2.3 温度对SiO_2/PEG200分散体系能耗的影响 71-73 4.4 本章小结 73-74 第五章 分散介质对纳米SiO_2分散体系流变学的影响 74-86 5.1 引言 74 5.2 实验 74-75 5.2.1 试剂 74 5.2.2 仪器 74-75 5.2.3 分散体系的制备 75 5.2.4 实验方法 75 5.3 结果与讨论 75-84 5.3.1 乙二醇、丙二醇、丁二醇对分散体系流变学的影响 75-80 5.3.1.1 流变性比较 75-77 5.3.1.2 粘弹性能比较 77-78 5.3.1.3 能耗比较 78-80 5.3.2 丙二醇、丙三醇对分散体系流变学的影响 80-83 5.3.3 乙二醇、聚乙二醇对分散体系流变学的影响 83-84 5.4 本章小结 84-86 第六章 亚微米球形SiO_2的制备及其分散体系流变学研究 86-101 6.1 引言 86 6.2 SiO_2的制备与表征 86-89 6.2.1 主要原料和仪器 86-87 6.2.2 实验原理 87 6.2.3 实验方法 87-88 6.2.4 结构与表征 88-89 6.3 分散体系的制备及其检测方法 89 6.3.1 分散体系的制备 89 6.3.2 分散体系电荷的测定 89 6.3.3 流变性测试 89 6.4 结果与讨论 89-100 6.4.1 SiO_2物化性质 89-92 6.4.2 亚微米SiO_2/乙二醇分散体系流变性能 92-95 6.4.3 电荷对分散体系流变性能的影响 95-97 6.4.4 SiO_2粒径对分散体系流变性能的影响 97-98 6.4.5 粒度分布对分散体系流变性的影响 98-99 6.4.6 温度对分散体系流变性的影响 99-100 6.5 本章小结 100-101 第七章 剪切增稠液在防护材料方面的应用 101-120 7.1 引言 101 7.2 穿刺试验 101-111 7.2.1 样品准备 101 7.2.2 试验设计 101-103 7.2.3 检测方法 103 7.2.4 结果与讨论 103-111 7.3 实弹射击试验 111-118 7.3.1 样品准备 111-112 7.3.2 实弹射击 112-113 7.3.3 检测方法 113 7.3.4 结果与讨论 113-118 7.4 本章小结 118-120 第八章 结论 120-122 参考文献 122-130 致谢 130-131 附录 131-132
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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 功能材料
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