摘 要

剪切增稠液是一种具有独特性能的复合材料。其体系的表观粘度随着剪切速率的增加迅速增加，随剪切速率降低立即降低。剪切增稠效应一直存在于自然界中，直到上世纪八十年代后，科研人员根据先前的研究结果发现了剪切增稠液潜在的应用可能性，从而引起了大家更多的关注，促使剪切增稠液的在材料制备、性能表征和数值拟合模型方面都有了显著的进展。本文从二氧化硅/PEG纳米复合材料出发，研究了如何制备剪切增稠液并测试了剪切增稠液的稳态流变性能。丰富了剪切增稠液的研究的并为其的实际应用提供可靠地理论和实验根据。

本文利用stober法制备二氧化硅颗粒，利用球磨机制备了分散相体积分数为54%和56%的二氧化硅/PEG悬浮液，并利用旋转流变仪对材料的稳态流变性能进行了全面的研究，分别从实验数据和数值拟合两方面研究了剪切增稠效应。主要研究了发生剪切增稠效应时剪切应力和表观粘度与剪切速率之前的变化关系，并且讨论了分散相含量对其流变性能的影响，利用粒子簇理论分析了剪切增稠效应的原理。

关键词：二氧化硅/PEG纳米复合材料，剪切增稠效应， stober法，球磨，流变仪，流变性能

Abstract

Shear thickening fluid (STF) is a kind of novel functional materials. With the increase of shear rate, the apparent viscosity of the system will increase rapidly, and when the shear rate is reduced, the apparent viscosity will also be reduced immediately. Shear thickening phenomenon has always existed in nature. After the eighties of the last century, researchers found the potential possibility of the application of the STF on the basis of previous research results, which has attracted more research attention. Now the material preparation, characterization and theoretical model of the STF have made remarkable progress. In this dissertation, the preparation of the STF and the mechanical properties of the STF were studied. This research provides important theoretical and experimental basis for the STF and its application.

In this dissertation, silicon dioxide particles were prepared by Stober method, and the volume fraction of 54% and 56% silicon/PEG suspensions were prepared by ball mill. The rheological behavior was characterized in detail with a high precision rheometer, and the shear thickening effect was analyzed from the experiment and the fitting model respectively. Mainly studied the relationship between the shear stress and apparent viscosity with the shear rate when the shear thickening occurred, also discussed the effect of dispersed phase content on the STF. In this dissertation, the principle of shear thickening is analyzed by using particle cluster theory.

Key Words: silicon /PEG Nanocomposites; Shear thickening effect; Stober method; Ball milling; Rheometer; Rheological property

目 录

第1章 绪论 1

1.1 剪切增稠液简介 1

1.1.1剪切增稠效应 1

1.1.2剪切增稠体系 1

1.1 .3剪切增稠现象的机理解释 2

1.2流变性能表征 4

1.2.1稳态流变剪切 4

1.2.2流变测量系统 5

1.3研究现状 7

1.3.1 Stober 制备二氧化硅研究现状 7

1.3.2剪切增稠液流变性能研究现状 7

1.4本文主要研究目的和内容 8

第2章 二氧化硅/PEG纳米复合材料的制备 9

2.1分散相的制备 9

2.1.1 Stober 法制备二氧化硅的机理 9

2.1.2二氧化硅颗粒的制备 9

2.2二氧化硅/PEG悬浮液的制备 10

第3章 二氧化硅/PEG纳米复合材料的力学性能表征 11

3.1流变性能测试方法 11

3.2流变性能测试 12

3.2.1粘度随剪切速率变化规律 13

3.2.2切应力随剪切速率变化规律 14

第4章 总结和展望 17

4.1工作总结 17

4.2展望 18

参考文献 19

致谢 21

第1章 绪论

1.1 剪切增稠现象及机理

1.1.1剪切增稠液介绍

剪切增稠液由强度很大的纳米颗粒均匀分布在高分子流体介质中所组成的悬浮液体系。该材料在外界剪切速率的作用下会表现出粘度增大的特性，即剪切增稠效应，如图1.1所示。该悬浮液在外界剪切速率的作用下，当外界剪切速率很小时，其粘度随着剪切速率的增大而变小，该阶段被称为剪切稀化现象；而当剪切速度超过某一固定值时，该悬浮液的浓度随着剪切速率的增大而迅速增大，甚至达到类固态的粘度。这一固定剪切速率被称为临界剪切速率。一般情况下，流体的粘度随着剪切速率的增大而增大，而这种出现先减小而后增大的特性，称为非牛顿流体特性。剪切增稠效应在我们的生活中很常见，如淀粉在水中所形成的悬浮液体系，当受到外界载荷作用时，淀粉悬浮液的粘度会迅速增大甚至变为固体^[1]。

图1.1 颗粒悬浮液的剪切稀化和剪切增稠示意图。

1.1.2剪切增稠体系

剪切增稠液体系的制备方法主要通过将分散相颗粒均匀的分布于基液介质中，并形成稳定的悬浮液体系，当受到外部动态冲击载荷作用时，随着剪切速率的增大，该悬浮体系的粘度也增大甚至到固体的状态。当然，这种粘度的突变是一种非连续变化的行为，但是这种粘度的变化却具有可逆性，即当外载荷撤销时，该悬浮液的粘度又恢复到常态。通常分散相颗粒材料体系主要为坚硬的纳米颗粒粒子，主要包括二氧化硅、有机玻璃材料、聚苯乙烯、碳纳米管、石墨烯等材料。而粒子形状主要以球形和短棒类形状为主。在布朗运动和静电场的作用下，纳米颗粒粒子能稳定的分布并且悬浮在基液之中，形成稳定的悬浮液体系。基液的材料主要为高分子材料，如PEG材料、硅油、矿物油等有机高分子材料。