编者按：剪切增稠流体（STF）是一类非牛顿流体，在低应变率下具有较好的流动性，冲击条件下由于粘度急剧增加而快速吸能，因而在柔性冲击防护领域具有重要的应用价值。中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室吴先前副研究员提出STF的微胶囊-聚合物基体复合材料设计思想，解决了STF的工程应用难题。本刊特此发布相关研究成果，以飨读者。

怎样才能真正实现轻功“水上漂”？

——兼述剪切增稠流体复合材料的动力学行为

吴先前

在武侠电影中，我们经常看到一些大侠拥有极高的“轻功”，能够在水面上踏波而行，令人羡慕不已。当然，对于人类而言，这种“水上漂”的功夫，也许在低重力环境下可能发生。但是，在我们的日常生活中，它是不可能实现的。因为尽管水也有一定的弹性，但是要让水产生足以支撑人体自重的力，大约需要双腿以30米/秒的速度蹬水，这样人类肌肉力量要增长为现在的15倍以上才有可能实现^[1]。但是，你知道吗？我们力学人借助于剪切增稠流体（STF）这样一种特殊流体，可以帮助人们实现真正的“水上漂”。

剪切增稠流体STF是指在剪切力作用下材料的粘度会快速增加的一类流体。这里出现了几个力学术语，我们先对它们做出解释。

粘度：说到流动性，我们就不得不提粘度。它表示液体内摩擦力的大小，或者是物体在液体中运动时受到的“阻力”。想象一下你在水中和蜂蜜中游泳有何不同？你会发现在蜂蜜中游泳更加困难，因为蜂蜜的粘度更高。高粘度的液体不易流动，而低粘度的液体流动性较好。具体而言，在流体力学中，动力粘度的定义是：二个面积各为1厘米²、相距1厘米的液体层在相对移动速度为1厘米/秒时所产生的阻力。粘度和流动性是相互关联的；粘度越高，流动性越差。

剪切力：剪切力是一种特殊的作用力类型，即一对相互平行但指向相反的力。

剪切速率：当施加剪切力时，物体会发生变形。剪切速率就是描述这种变形的速度。

剪切增稠流体STF有很多种，淀粉浆糊就是一种典型的STF。在静止状态下，其粘度较低；当受到剪切力作用时，淀粉分子之间的结构会发生改变，使得粘度逐渐增加。牛奶、蜂蜜、油脂、油漆、高分子聚合物溶液、水泥浆和动物血液等都是常见的剪切增稠流体。图1为典型的STF粘度和剪切速率之间的关系。从中可以看出，剪切速率较低时，STF的粘度很低，这时的流体是“软”的。随着剪切速率的增加，粘度稍有下降，我们称之为“剪切变稀”，流体变得更软了。当剪切速率达到某个临界值时，随着剪切速率的升高，粘度快速上升。我们称之为“剪切增稠”，或者说流体变“硬”了。

图1 STF的粘度和剪切速率之间的关系（作者自制）

这里，还以淀粉浆糊作为例子，让我们从视觉上对以上关于“剪切变稀”和“剪切增稠”两个概念有一个直观的了解。图2为淀粉浆糊在低速扰动下的流动状态，所谓的“低速扰动”，就是手指搅拌的速度很慢，这样所产生的剪切速率很小，因而属于“剪切变稀”范畴。此时淀粉浆糊显得很“软”，表现出较好的流动性。图3为一个人在淀粉浆糊上做“水上漂”表演，表演者以正常跑步的速度在淀粉浆糊表面上运动，就足以让STF发生增稠现象。因为脚板运动在淀粉浆糊中所产生的剪切速率足够大，其粘度快速增加，使其变“硬”。这样，淀粉浆糊就能够产生足够的支撑力，从而避免了表演者陷入其中。

图2 手指低速搅拌淀粉浆糊（作者自制）

图3 人在淀粉浆糊上的“水上漂”表演（作者自制）

剪切增稠流体STF由于能够发生软-硬转变，并在转变过程中耗散能量，因而在冲击防护领域具有重要的应用价值。大家知道，早期的防护装备一般都使用高强钢板，虽然防护效果不错，但是它们“又笨又重”。近年来，人们利用STF并结合高性能纤维材料，成功制备了软体防弹衣。这种新概念的防弹衣，不仅平时具有良好的柔韧性，在子弹冲击下也表现出优异的防护性能，因此受到学术界和工程界的广泛关注。这样，含有STF的复合材料的动力学行为与耗能机制就成为力学界的一个热点问题。近年来，力学研究所流固耦合系统力学重点实验室的吴先前研究团队对STF的动力学行为及其与结构的耦合作用进行了较长期研究，揭示了STF由“软”到“硬”的新机制，发现STF具有良好的吸能效果^[2-5]。

但是，由于常规呈流体状态的STF难以有效密封，一直困扰它在柔性冲击防护领域的应用。针对这个难题，吴先前研究团队提出了STF微液滴-橡胶复合材料（SR-STF）的设计思想，并通过与中国工程物理研究院化工材料研究所的合作，完成了制备过程。图4为SR-STF复合材料的制备过程示意图。首先制备出疏水性较强的STF（参见图4的上侧流程所示）。这里的“疏水性”是指物质与水互相排斥的物理性质因而不易被水湿润，而“亲水性”则是指物质对水有较大的亲和力因而易于被水湿润。利用STF的疏水性及硅橡胶的亲水性，将两者混合成功制备了SR-STF复合材料（参见图4的下侧流程所示）。在应用过程中，SR-STF复合材料通过STF的液-固相变、大量STF/硅橡胶基体界面以及STF与硅橡胶基体的相互增强作用，取得了“1+1>>2”效果，进一步提升了材料的冲击防护性能。

图4 SR-STF复合材料的制备原理示意图（作者自制）

吴先前研究团队还进一步对SR-STF复合材料的力学性能开展了研究。如图5所示，研究发现高STF含量的SR-STF复合材料在低应变率下表现出良好的柔韧性，而在高应变率下表现出较高的刚度，表明这种材料具有显著的加载速率敏感性。此外，随着STF含量的增加，SR-STF复合材料在低速冲击下的柔韧性和高应变率下的硬度都迅速提高。这表明它具有更显著的加载速率强化效应，体现出对不同冲击载荷的智能自适应性。这主要是由于STF微胶囊的剪切增稠效应导致的。

图5 (a) SR-STF复合材料在应变率10^-3s^-1和10^-1s^-1时的应力-应变关系；(b) SR-STF复合材料在应变为0.4时的应力-应变率关系（作者自制）

图6所示的结果则表明，在准静态压缩条件下，外部压力缓慢挤压STF微胶囊，使微胶囊内的STF沿加载方向被压缩。由于应变速率较低，STF的初始粘度在压缩过程中可以忽略不计，SR-STF的强度主要由硅橡胶基体提供。因此，随着STF微胶囊含量的增加，SR-STF复合材料在低应变速率下的柔韧性更好。在较高剪切速率下，STF粘度显著增加，提高了SR-STF复合材料的压缩强度，因而具有更好的抗冲击性。

图6 SR-STF复合材料在(a) 冲击加载前，(b) 应变率为1400 s^-1，(c) 应变率为3500 s^-1时的微观结构；(d) SR-STF复合材料在不同应变率下的变形机理（作者自制）

基于实验结果，吴先前研究团队又建立了包含STF含量、应变硬化及应变率强化效应的粘弹性本构模型，从而能够较准确地描述SR-STF复合材料的力学行为^[6]。这项研究为STF在柔性冲击防护领域的应用提供了新的设计理念和方案。

参考文献

[1] GLASHEEN J W, MCMAHON T A. A hydrodynamic model of locomotion in the basilisk lizard [J]. Nature, 1996, 380(6572): 340-2.

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[3] WU X, ZHONG F, YIN Q, et al. Dynamic response of shear thickening fluid under laser induced shock [J]. Appl Phys Lett, 2015, 106(7).

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[5] GU Z P, WU X Q, LI Q M, et al. Dynamic compressive behaviour of sandwich panels with lattice truss core filled by shear thickening fluid [J]. Int J Impact Eng, 2020, 143.

[6] ZHU J Q, GU Z P, LIU Z P, et al. Silicone rubber matrix composites with shear thickening fluid microcapsules realizing intelligent adaptation to impact loadings [J]. Compos Part B-Een, 2022, 247.