剪切增稠液的案例
CFD學(xué)習(xí)：臨界剪切應(yīng)力對(duì)剪切稀化和剪切增稠流體的影響
存在一個(gè)特定的剪切應(yīng)力值，在該值處觀察到粘度大幅下降，該值稱為臨界剪切應(yīng)力。
剪切稀化流體在低剪切速率下表現(xiàn)出恒定的粘度值。剪切稀化流體的恒定粘度值稱為零剪切粘度或零剪切粘度平臺(tái)。隨著施加的剪切應(yīng)力增加，在特定點(diǎn)觀察到粘度大幅下降。剪切應(yīng)力或剪切速率的該值稱為臨界剪切應(yīng)力或臨界剪切速率。在臨界剪切速率點(diǎn)，流體開始發(fā)生剪切稀化行為。
屈服應(yīng)力
乳液、聚合物溶液和熔體是剪切稀化流體的例子。在高度剪切稀化的流體中，粘度達(dá)到無(wú)限值并且固體的特征變得可見。這種行為在低于臨界剪切應(yīng)力值（稱為屈服應(yīng)力）時(shí)出現(xiàn)。由于屈服應(yīng)力而產(chǎn)生的行為或流動(dòng)響應(yīng)稱為塑性流動(dòng)。塑性流動(dòng)的特點(diǎn)是隨著剪切速率接近零，粘度不斷增加。
屈服應(yīng)力的重要性
屈服應(yīng)力是流體達(dá)到結(jié)構(gòu)化流動(dòng)時(shí)所施加的應(yīng)力。屈服應(yīng)力在涉及泵送、涂覆和鋪展的應(yīng)用中非常重要。在重力引起的應(yīng)力相對(duì)較低的流體中，屈服應(yīng)力會(huì)抑制流動(dòng)。這主要被視為阻燃涂料、油漆、石膏、粘合劑等產(chǎn)品的抗坍落度和流掛性。屈服應(yīng)力在流體流動(dòng)中引入了所需和不需要的質(zhì)量。
接下來(lái)，讓我們看看臨界剪切應(yīng)力如何影響剪切增稠。
剪切增厚和臨界剪切應(yīng)力
在某些流體中，粘度隨著剪切速率或剪切應(yīng)力的增加而增加。這種流體稱為剪切增稠流體，這種現(xiàn)象稱為剪脹性。剪切增稠通常表現(xiàn)為具有高濃度固體顆粒的顆粒懸浮液或分散體。
剪切增稠液用于減震器和防護(hù)設(shè)備。大多數(shù)剪切增稠流體在低剪切速率和應(yīng)力下表現(xiàn)出剪切稀化行為。剪切稀化行為的破壞發(fā)生在臨界剪切應(yīng)力下，并隨著粘度的增加而在流體行為中帶來(lái)類似固體的轉(zhuǎn)變。
臨界剪切應(yīng)力是影響流體流動(dòng)響應(yīng)的重要參數(shù)。表現(xiàn)出剪切增稠和剪切稀化特性的流體行為取決于臨界剪切應(yīng)力。
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筆者目前對(duì)高吸能材料（泡沫材料、剪切增稠液等）有一些了解，在這里不做過(guò)多綜述，主要對(duì)目前現(xiàn)有的剪切增稠液做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹：
剪切增稠液是由分散相和分散介質(zhì)組成的分散體系，分散相為固體微顆粒"分散介質(zhì)為低分子有機(jī)或者無(wú)機(jī)液體，分散相體積分?jǐn)?shù)一般在40%以上。
剪切增稠液主要分為兩大類，一類是由納米粒子為分散相的膠體體系如氣相二氧化硅，納米碳酸鈣等。
另一類是由亞微米或者微米級(jí)的粒子為分散相的懸浮體系，如亞微米的二氧化硅、亞微米的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微米級(jí)的淀粉等。PS：PMMA就是常用的玻璃替代品（有機(jī)玻璃）。
上圖展示了兩類剪切增稠液由于分散相顆粒尺寸存在數(shù)量級(jí)的差異，表觀行為也有顯著差別，前者一般表現(xiàn)為連續(xù)性的剪切增稠(Continuous shear thickening)，后者在高濃度的狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)非連續(xù)性剪切增稠(Discontinuous shear thickening)。
剪切增稠機(jī)理：
有序到無(wú)序（熵增系統(tǒng)，吸收能量），粒子簇（Cluster）和粒子堵塞機(jī)理。其中粒子簇機(jī)理很好的解釋了連續(xù)性剪切增稠的過(guò)程，但是對(duì)于非連續(xù)的剪切增稠體系，粒子堵塞機(jī)理就更量化的解釋了。
目前剪切增稠液的應(yīng)用：
Mahfuz等用改性二氧化硅制備剪切增稠液，利用該剪切增稠液與Kevlar織物制備復(fù)合材料,與未改性二氧化硅制備的剪切增稠液相比,這種剪切增稠液可以大大提高織物吸收能量的能力。
說(shuō)到具體應(yīng)用，需要提及兩個(gè)重量級(jí)的產(chǎn)品：D3O和P4U。
D3O是一種工程定向設(shè)計(jì)的材料, 確切的分子結(jié)構(gòu)還屬于商業(yè)秘密。
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中國(guó)制造之防彈材料
液體防彈材料
液體防彈材料(TBS)的主要成分是一種特制“剪切增稠液體(STF)”，這種液體一般由分散粒子SiO2和有機(jī)物分散介質(zhì)乙烯基乙醇、聚乙二醇、局丙二醇或者礦物油等一種或幾種的混合物組成。“剪切增稠液”中自由懸浮著粒子，當(dāng)液體因?yàn)閯×覜_擊而被攪亂時(shí)，其中的特殊粒子相互碰撞，形成了對(duì)這種攪動(dòng)的抵抗力。
當(dāng)攪動(dòng)力足夠大時(shí)，這些粒子其實(shí)就已被相互“鎖定”。當(dāng)子彈高速撞擊這種材料時(shí)，“剪切增稠液”防彈衣就會(huì)吸引撞擊能量，并迅速變得極其堅(jiān)硬，從而吸收子彈的沖擊能量。
碳納米管
碳納米管是迄今為止發(fā)現(xiàn)的力學(xué)性能最好的材料之一，有著極高的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。其密度只有鋼鐵的六分之一到四分之一，單位質(zhì)量上的拉伸強(qiáng)度，卻是鋼鐵的276倍，彈性模量參數(shù)，碳納米管比凱夫拉強(qiáng)2.4倍，綜合性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)目前人類發(fā)現(xiàn)和制造的其他任何材料。
防彈效果上主要是體現(xiàn)在彈性模量上，也就是說(shuō)碳納米管纖維盔具或防彈衣比凱夫拉的抗擊強(qiáng)度最起碼高2.4倍。
據(jù)R&D雜志2013年11月5日?qǐng)?bào)道，Garrison Bespoke公司推出了首套時(shí)尚防彈西裝。
此防彈衣是由納米技術(shù)制得的碳納米管構(gòu)成，最初是為在伊拉克的美軍第19部隊(duì)特種兵而設(shè)計(jì)開發(fā)的，專利材料更薄、更柔軟，重量只有傳統(tǒng)防彈衣使用的凱夫拉的一半，而且還可以防刺傷，通過(guò)碳納米管硬化影響防止刀具穿透。
石墨烯
作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”，科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”。極有可能掀起一場(chǎng)席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。
研究石墨烯防彈衣的科學(xué)家表示，石墨烯制成的防彈衣?lián)碛?倍于現(xiàn)有防彈衣技術(shù)（凱夫拉）的防護(hù)能力。
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全世界70%防彈衣是"中國(guó)制造"！這些防彈材料你都知道嗎？
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展開 做到這些，熱失控將不再是鋰電池安全的不治之癥！
Atsuo Yamada等人[9]采用高濃度NaN(SO2F)2或者LiN(SO2F)2作為鋰鹽，添加常見的阻燃劑磷酸三甲酯TMP，制備的電解液能夠顯著提高鋰電池的熱穩(wěn)定性，而且阻燃劑的添加并沒有對(duì)鋰電池的循環(huán)性能產(chǎn)生影響。針對(duì)動(dòng)力電池在使用中可能面臨沖擊的情況，Gabriel M. Veith等人[10]試圖在根源上避免外力導(dǎo)致的鋰電池內(nèi)短路發(fā)生，設(shè)計(jì)了一種具有剪切增稠特性的電解液（圖3），該電解液利用非牛頓流體的特性，在正常狀態(tài)下，電解液呈現(xiàn)液體狀態(tài)，在遭遇突然的沖擊后則會(huì)呈現(xiàn)固體狀態(tài)，變得異常堅(jiān)固，甚至能夠達(dá)到防彈的效果，從而從根源上避免了在動(dòng)力電池發(fā)生碰撞時(shí)電池內(nèi)短路導(dǎo)致熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。
圖3. 剪切增稠電解液示意圖
五、導(dǎo)電劑與粘結(jié)劑
導(dǎo)電劑與粘結(jié)劑的種類與數(shù)量也影響著電池的熱穩(wěn)定性，粘結(jié)劑與鋰在高溫下反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱，不同粘結(jié)劑發(fā)熱量不同 , PVDF 的發(fā)熱量幾乎是無(wú)氟粘結(jié)劑的2倍 ,用無(wú)氟粘結(jié)劑代替PVDF可以提高電池的熱穩(wěn)定性。Jigang Zhou等人[11]最近還通過(guò)將復(fù)雜復(fù)合電極熱失控前后的相分布進(jìn)行單個(gè)電極顆粒層面的成像，并將多種相分離現(xiàn)象在熱失控前后的相關(guān)性進(jìn)行了納米級(jí)別的可視化，發(fā)現(xiàn)熱失控可能與導(dǎo)電劑以及粘結(jié)劑的分布呈現(xiàn)密切的相關(guān)性。他們創(chuàng)新性地將具有元素及軌道選擇性、化學(xué)與電子結(jié)構(gòu)敏感性的透射X光掃描顯微技術(shù)(PEEM)用于研究熱失控下鈷酸鋰層狀電極顆粒在多孔電極中相分離中的行為。熱失控前后相分離在單個(gè)電極顆粒層面呈現(xiàn)出超乎預(yù)測(cè)的不均勻化。這種不均勻化與顆粒尺寸、晶面結(jié)構(gòu)相關(guān)性不明顯，但與導(dǎo)電劑以及粘結(jié)劑的分布呈現(xiàn)密切的相關(guān)性。
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