剪切增稠液及其复合材料的制备与性能研究

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1、学校代码10699分类号O631.1+1密级公开学号2012100623题目剪切增稠液及其复合材料的制备与性能研究作者秦建彬学科、专业材料学指导教师张广成教授申请学位日期2017年5月西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：剪切增稠液及其复合材料的制备与性能研究作者：秦建彬学科专业：材料学指导教师：张广成教授2017年5月PreparationandPropertiesofShearThickeningFluidandIts’compositesByQinJianbinUndertheSupervi

2、sionofProfessorZhangGuangchengADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofMaterialScienceXi’anP.R.ChinaMay2017摘要摘要剪切增稠液（Shearthickeningfluid，STF）是由固体分散相和液体分散介质组成的一种高浓度悬浮体系，当其所受剪切速率达

3、到某一临界值时，其粘度会随剪切速率的增加而迅速增加，甚至出现由液态向类固态的相转变，而且这种剪切增稠行为是可逆的。人们自发现STF独特的非牛顿流变行为以来，已经对STF体系的组成、流变性能、剪切增稠机理以及应用进行了相关研究，取得了一定的研究进展。但是现有研究主要集中在以SiO2作为分散相与聚乙二醇（PEG）作为分散介质组成的STF体系，对于其他新型STF体系的研究甚少，对STF剪切增稠机理也有不同的观点，剪切增稠液的应用研究也有待进一步开展。基于以上背景，本论文主要开展了以下研究内容：首先从传统SiO

4、2/PEG基剪切增稠体系出发，通过高精度旋转流变仪以稳态剪切模式和动态剪切模式系统研究纳米SiO2基STF和亚微米SiO2基STF体系的流变性能和粘弹性能，确定不同因素对其剪切增稠的影响规律，综合分析其内在作用机理，建立剪切增稠的理论模型，为后续研究提供理论指导。其次，采用自行合成的不同粒径单分散聚苯乙烯（PS）微球为分散相制备PS微球基STF，研究不同因素对其剪切增稠行为的影响规律，分析探讨剪切增稠机理。再次，合成一系列不同种类的离子液体（ILs），探索ILs作为分散介质制备新型ILs基STF，研究影

5、响ILs基STF剪切增稠行为的因素和规律，分析探讨其剪切增稠的机理。最后，制备STF/Kevlar复合材料，研究该复合材料力学性能和抗穿刺性能等，为剪切增稠液的发展和应用提供理论基础和实验依据。通过以上研究，本论文主要得出以下结论：1、纳米SiO2基STF和亚微米SiO2基STF均具有良好的可逆性和瞬时响应性；不同浓度的纳米SiO2基STF始终表现为连续性剪切增稠（CST）行为，而亚微米SiO2基STF随浓度增加，会由CST行为向非连续性剪切增稠（DST）行为转变。减小分散相亚微米SiO2粒径、增加分散

6、相含量、降低体系的温度、增加分散介质的分子量，都会使STF的临界剪切速率减小，剪切增稠行为增强；同时使临界剪切应变下降，复数粘度、损耗模量和储能模量增加，应变剪切增稠行为增强；不同条件下的临界剪切应力基本恒定。温度对剪切增稠行为影响显著，较高温度时，STF的剪切增稠行为甚至消失。亚微米SiO2基STF剪切增稠效果优于纳米SiO2基STF。纳米SiO2基STF和亚微米SiO2基STF的剪切增稠均可由粒子簇机理予以解释。2、PS微球基STF也具有良好可逆性和瞬时响应性。增加PS微球的含量，增加分散介质的分子

7、量，降低体系的温度，都会使PS基STF的临界剪切速率减小，剪切增稠行为增强；同时使其临界剪切应变下降，复数粘度、损耗模量和储能模量增加，应变剪I西北工业大学博士学位论文切增稠行为更显著；但不同条件下的临界剪切应力基本恒定。温度对其剪切增稠行为有显著的影响，较高温度时，其剪切增稠行为几乎消失。其他条件相同时，分散相PS微球粒径较大时，PS基分散体系失去剪切增稠效应。PS微球基STF的剪切增稠效应稍弱于亚微米SiO2基STF。PS微球基STF剪切增稠行为符合粒子簇和粒子簇堵塞机理。3、以纳米SiO2为分散相

8、时，亲水性的ILs作为分散介质可以制备出STF，而疏水性的ILs不能制备STF；增加[BMIm]BF4中阳离子上烷基链的长度，STF的剪切增稠行为减弱；在咪唑类四氟硼酸盐中的有机阳离子上引入羟基，可以增强其制备STF的剪切增稠效应。ILs基STF具有良好的可逆性、瞬时响应性和较高的电导率。不同浓度的ILs基STF在稳态剪切和动态剪切时都可表现出剪切增稠行为，比其他STF的临界剪切速率要低，剪切增稠效果比纳米SiO2/PEG基STF显著；且随