剪切增稠液体理论基础和工程应用进展概述

作为一种智能材料，剪切增稠液（STF）的表观粘度显著增加，在使用剪切应力或增加剪切速率的条件下，表观粘度可以增加几倍到几十倍。实验室里常见的剪切增稠液通常由分散相、乙二醇或聚乙二醇（如连续相）制成，并与一些添加剂混合。作为一种能够快速感知和响应外部刺激的材料，剪切增稠液可以在撞击后几毫秒内从液态变为半固态。它具有响应速度快、产量大、重复可逆等优点。因此，它在工程领域得到了广泛的应用。然而，剪切增稠液体的基本理论无法为其目前的准备和应用提供明确的指导。学者们普遍认可的堵塞理论只是对这一现象的一般描述，并没有真正揭示剪切增稠的本质。同时，剪切增稠液体的相关应用主要集中在剪切增稠液和复合纤维，在450~510m/s以上的高速冲击下，面临着效果不理想的瓶颈。因此，在过去五年中，除了探索剪切增稠液体的机制外，研究人员主要从测试、开发和应用等方面进行了不断的尝试并在高速冲击条件下进行了应用试验，取得了丰硕成果。目前，解释剪切增稠现象的最新模型是基于接触动力学模拟的接触流变理论，摩擦测量为连续剪切增稠和不连续剪切增稠提供了支持。在剪切增稠体系的应用中，研究人员使用气枪、霍普金森压杆等手段分析了剪切增稠复合材料在高速冲击下的破坏模式，发现复合材料在高速条件下从拉伸破坏模式转变为剪切破坏模式。剪切增稠液体被应用于运动防护和生物医学领域，剪切增稠液体与磁流变液等智能材料相结合，实现对损伤的实时评估。本文综述了剪切增稠液体的研究进展，重点介绍了剪切增稠液体的理论机理，总结了剪切增稠液体在个人防护、振动控制等领域的应用，分析了剪切增稠系统在工程应用背景下面临的问题，并对其前景进行了展望，为研发更稳定有效的剪切增稠液体相关设备提供参考。