Дилатант - Dilatant - Wikipedia

A кеңейтетін (/г.ˈлтənт/, /г.ɪ-/) (сонымен қатар мерзімдері қайшыны қоюлау) бұл материал тұтқырлық жылдамды? ымен артады ығысу штаммы. Мұндай қайыру қалыңдататын сұйықтық, сонымен қатар инициализммен белгілі STF, а-ның мысалы Ньютондық емес сұйықтық. Мұндай мінез-құлық әдетте таза материалдарда байқалмайды, бірақ болуы мүмкін тоқтата тұру.

Ығысу жылдамдығы және ығысу стресс.png

Дилатант - бұл а Ньютондық емес сұйықтық мұнда ығысу тұтқырлығы қолданылған сайын артады ығысу стресі. Бұл мінез-құлық Ньютон заңынан ауытқудың бір түрі ғана болып табылады және оны бөлшектердің мөлшері, пішіні және таралуы сияқты факторлар басқарады. Бұл суспензиялардың қасиеттері тәуелді Гамакер теориясы және Ван-дер-Ваальс күштері және электростатикалық немесе стерикалық жолмен тұрақтандырылуы мүмкін. Ығысудың қоюлану әрекеті коллоидтық суспензия тұрақты күйден күйге өткенде пайда болады флокуляция. Бұл жүйелердің қасиеттерінің көп бөлігі дисперсиядағы бөлшектердің беткі химиясына байланысты коллоидтар.

Мұны қоспаның көмегімен көруге болады жүгері және су[1] (кейде аталады oobleck ), жер бетіне соғылғанда немесе лақтырған кезде қарсы бағытта әрекет етеді. Суға толығымен сіңген құм да сұйылтқыш материал ретінде әрекет етеді. Ылғал құммен жүргенде құрғақ аймақ тікелей аяқ астында пайда болуының себебі осы.[2]

Реопектия ұқсас қасиет, онда тұтқырлық уақыт өткен сайын жинақталған стресс немесе қозу кезінде жоғарылайды. Дилатантты материалға қарама-қарсы а псевдопластикалық.

Анықтамалар

Ньютон заңынан ауытқудың нақты жүйелерде байқалатын екі түрі бар. Ең көп таралған ауытқу - бұл ығысудың жұқаруы, мұнда тұтқырлық жүйенің мәні азаяды ығысу жылдамдығы ұлғайтылды. Екінші ауытқу - бұл ығысудың қоюлануы, мұнда ығысу жылдамдығы жоғарылаған сайын жүйенің тұтқырлығы да артады. Бұл мінез-құлық жүйенің стресс жағдайында кристалданып, ерітіндіге қарағанда қатты күйінде болғандықтан байқалады.[3] Осылайша, ығысуды қалыңдататын сұйықтықтың тұтқырлығы ығысу жылдамдығына тәуелді болады. Ілінген бөлшектердің болуы көбіне ерітіндінің тұтқырлығына әсер етеді. Шын мәнінде, дұрыс бөлшектермен, тіпті Ньютон сұйықтығы да Ньютонға жат мінез-құлық көрсете алады. Бұған мысал ретінде судағы жүгері крахмалы жатады және төмендегі Мысалдар бөліміне енгізілген.

Ығысудың қалыңдау әрекетін басқаратын параметрлер: бөлшектердің мөлшері мен бөлшектердің үлестірілуі, бөлшектердің көлемдік үлесі, бөлшектердің пішіні, бөлшектер мен бөлшектердің өзара әрекеттесуі, фазалардың үздіксіз тұтқырлығы және деформацияның түрі, жылдамдығы және уақыты. Осы параметрлерден басқа, барлық ығысу қалыңдататын сұйықтықтар тұрақтандырылған суспензия болып табылады және қатты дененің салыстырмалы түрде жоғары көлемдік үлесіне ие.[4]

Ерітіндінің тұтқырлығы ығысу жылдамдығының функциясы ретінде қуат заңының теңдеуі арқылы беріледі,[5] Мұндағы η - тұтқырлық, K - материалға негізделген тұрақты, ал γ̇ - ығысу жылдамдығы.

Дилатантты мінез-құлық n-ден үлкен болған кезде пайда болады.

Төменде кейбір жалпы материалдар үшін тұтқырлық мәндерінің кестесі келтірілген.[6][7][8]

МатериалТұтқырлық (cP)
Бензол0.60
Хлорлы көміртек0.88
Этанол1.06
Су1-ден 5-ке дейін
Меркурий1.55
Pentane2.24
Қан10
Мұздауға қарсы14
Күкірт қышқылы27
Үйеңкі сиропы150–200
Бал2,000–3,000
Шоколад сиропы10,000–25,000
Кетчуп50,000–70,000
Жержаңғақ майы150,000–250,000

Тұрақтандырылған суспензиялар

A тоқтата тұру әр түрлі, гетерогенді фаза бойынша дисперсті жұқа бөлшектен тұратын фазадан тұрады. Сұйық фаза ішінде дисперсті қатты, бөлшек фазасы бар жүйелерде ығысудың қоюлануы байқалады. Бұл шешімдердің а Коллоид олар тұрақсыз; дисперсиядағы қатты бөлшектер үшін жеткілікті үлкен шөгу, олардың ақыр аяғында қоныстануына себеп болады. Ал коллоид ішінде диспергирленген қатты заттар кішірек және тұнбайды. Суспензияларды тұрақтандырудың бірнеше әдісі бар, соның ішінде электростатика және стерика.

Бөлшектерді бөлу функциясы ретінде итеру энергиясы

Тұрақсыз суспензияда дисперсті, бөлшек фаза бөлшектерге әсер ететін күштерге, мысалы, ауырлық күшіне немесе Хамакердің тартылуына жауап ретінде шығады. Бұл күштердің бөлшектер фазасын ерітіндіден шығаруға тигізетін әсерінің мөлшері бөлшектердің мөлшеріне пропорционалды; үлкен бөлшектер үшін тартылыс күштері бөлшектер мен бөлшектердің өзара әрекеттесуінен үлкен, ал керісінше ұсақ бөлшектер үшін. Ыстықтың қоюлануы мінез-құлық әдетте бөлшектердің бөлшектерінің Hamaker тартылысы басым күш екенін көрсететін ұсақ, қатты бөлшектердің суспензияларында байқалады. Сондықтан суспензияны тұрақтандыру қарама-қарсы итергіш күштің енгізілуіне байланысты.

Гамакер теориясы бөлшектер сияқты денелер арасындағы тартуды сипаттайды. Түсіндіру жүзеге асырылды Ван-дер-Ваальс күштері денелер арасындағы барлық молекулааралық күштерді қосу арқылы макро масштабты денелерге индукцияланған дипольдермен екі молекуланың өзара әрекеттесуін түсіндіруден жоғарылатуға болатын еді. Ван-дер-Ваальс күштеріне ұқсас Хамакер теориясы бөлшектер мен бөлшектердің өзара әрекеттесу шамасын арақашықтықтың квадратына кері пропорционал деп сипаттайды. Сондықтан көптеген тұрақтандырылған суспензиялар денелердің бір-біріне жақындауына тиімді кедергі келтіріп, өзара әрекеттесетін денелер жеткілікті қашықтықта болған кезде Хамакердің тартылуына басым болатын ұзақ уақытқа созылатын итермелейтін күшті қосады. Алайда қысқа қашықтықта Хамакердің тартылысы басым болып, бөлшектердің коагуляциялануына және ерітіндіден түсіп кетуіне әкеледі. Суспензияларды тұрақтандыруда қолданылатын кең тараған екі ұзаққа созылатын күштер - электростатика және стерика.

Электростатикалық тұрақтандырылған суспензиялар

Ерітіндідегі бөлшек электростатикалық екі қабатты күш арқылы тұрақталған

Сұйық электролитте шашыраған ұқсас зарядталған бөлшектердің суспензиялары Гельмгольцтің екі қабатты моделі сипаттаған әсер арқылы тұрақтандырылады. Модельде екі қабат бар. Бірінші қабат - бөлшектің зарядталған беті, ол электролиттегі иондарға әсер ететін электростатикалық өріс жасайды. Бұған жауап ретінде иондар тең және қарама-қарсы зарядтың диффузды қабатын құрып, беткі зарядты бейтарап етеді. Алайда диффузиялық қабат бөлшекті қоршап тұрған электролиттен өзгеше потенциал жасайды.

Диффузиялық қабат бөлшектерді тұрақтандыруға арналған ұзаққа созылатын күш ретінде қызмет етеді. Бөлшектер бір-біріне жақын болған кезде, бір бөлшектің диффузиялық қабаты екінші бөлшекпен қабаттасып, итергіш күш тудырады. Төмендегі теңдеу Хамакердің өзара әрекеттесуі мен электростатикалық итерілу нәтижесінде екі коллоид арасындағы энергияны қамтамасыз етеді.

қайда:

V = жұп коллоидтар арасындағы энергия,
R = коллоидтардың радиусы,
H = Коллоид пен еріткіш арасындағы гамакер тұрақтысы,
сағ = коллоидтар арасындағы қашықтық,
C = беткі ион концентрациясы,
к = Больцман тұрақтысы,
Т = температура кельвиндер,
= үстіңгі қабат,
= Дебайдың кері ұзындығы.

Стерикалық тұрақтандырылған суспензиялар

Стерильді кедергі арқылы тұрақтандырылған суспензиядағы бөлшек.

Электростатикадан айырмашылығы, стерикалық тұрақтандырылған суспензиялар суспензияны тұрақтандыру үшін бөлшектердің бетіне бекітілген полимер тізбектерінің физикалық өзара әрекеттесуіне сүйенеді; адсорбцияланған полимер тізбектері Хамакердің тартылуына үстемдік етпеуі және бөлшектерді суспензиядан шығарып алмауы үшін ілінген бөлшектерді жеткілікті қашықтықта ұстау үшін аралық қызметін атқарады. Полимерлер әдетте егіледі немесе бөлшектің бетіне адсорбцияланады. Егілген полимерлермен полимер тізбегінің магистралі бөлшектердің бетіне ковалентті байланысады. Ал адсорбцияланған полимер лиофобты және лиофильді аймақтан тұратын сополимер болып табылады, мұнда лиофобтық аймақ бөлшектердің бетіне ковалентті емес жабысады және лиофильді аймақ стерикалық шекараны немесе аралықты құрайды.

Қайшыны қоюлататын мінез-құлықтың артындағы теориялар

Коллоидтағы дилатенция немесе оның ығысу күштері болған жағдайда тапсырыс беру қабілеті бөлшектер арасындағы күштердің арақатынасына байланысты. Сияқты бөлшектер аралық күштер болғанша Ван-дер-Ваальс күштері басым, ілулі бөлшектер реттелген қабаттарда қалады. Алайда, ығысу күштері басым болғаннан кейін, бөлшектер күйіне енеді флокуляция және бұдан әрі тоқтата тұруға жатпайды; олар өзін қатты зат сияқты ұстай бастайды. Ығысу күштері жойылған кезде, бөлшектер бір-біріне тарайды және қайтадан тұрақты суспензия құрайды. Бұл бастапқыда суспензия флокуляция күйінде болатын және кернеу түскен кезде тұрақты болатын ығысудың жұқару әсеріне қарсы.[9]

Ыстықтың қоюлануының әрекеті сұйықтықта ілінген қатты бөлшектердің көлемдік үлесіне өте тәуелді. Көлемдік фракция неғұрлым жоғары болса, ығысудың қоюлану әрекетін бастау үшін аз ығысу қажет болады. Сұйықтықтың Ньютондық ағыннан ығысудың қоюлану сипатына ауысуындағы ығысу жылдамдығы критикалық ығысу жылдамдығы деп аталады.

Тәртіпсіз ауысуға тапсырыс

Концентрацияланған тұрақтандырылған ерітіндіні салыстырмалы түрде төмен ығысу жылдамдығымен қырқу кезінде итергіш бөлшектер мен бөлшектердің өзара әрекеттесуі бөлшектерді реттелген, қабатты, тепе-теңдік құрылымда ұстайды. Алайда, ығысу жылдамдығынан жоғары көтерілген ығысу жылдамдықтарында бөлшектерді бір-біріне итеріп тұрған ығысу күштері бөлшектер мен тепе-теңдік позицияларынан шығуға мәжбүр болатын итергіш бөлшектер мен бөлшектердің өзара әрекеттесулерін жеңеді. Бұл тұтқырлықтың жоғарылауын тудыратын тәртіпсіз құрылымға әкеледі.[10]

Мұндағы критикалық ығысу жылдамдығы бөлшектерді бір-біріне итеретін ығысу күштері итергіш бөлшектердің өзара әрекеттесулеріне эквивалентті болатын ығысу жылдамдығы ретінде анықталады.

Гидрокластерлеу

Ерітіндідегі бөлшектердің уақытша гидроклюзиялануы.

Тұрақтандырылған суспензияның бөлшектері қозғалмайтын күйден қозғалмалы күйге ауысқанда, бөлшектердің шағын топтары тұтқырлықты жоғарылатып, гидрокластерлер түзеді. Бұл гидрокластерлер бір сәтте бір-біріне сығылған бөлшектерден тұрады, олар сиқыр тәріздес бөлшектер тізбегін құрайды, лоджамға немесе кептеліске ұқсас. Теорияда бөлшектердің бөлшектер аралықтары өте аз, бұл уақытша, уақытша гидрокластерді сығылмайтын етіп көрсетеді. Агрегация арқылы қосымша гидрокластерлер пайда болуы мүмкін.[11]

Мысалдар

Жүгері крахмалы және су (oobleck)

Жүгері крахмалы - бұл тамақ дайындауда қолданылатын қалыңдататын агент. Бұл сонымен қатар қайшыны қалыңдататын жүйенің өте жақсы мысалы. 1: 1.25 су мен жүгері крахмалының қоспасына күш түскенде, қоспа қатты заттың рөлін атқарады және күшке қарсы тұрады.

Кремнезем және полиэтиленгликоль

Кремний нано бөлшектері ерітіндіде шашырайды полиэтиленгликоль. Флокуляция болған кезде кремнезем бөлшектері беріктігі жоғары материалмен қамтамасыз етеді. Бұл оны сұйық дененің сауыты мен тежегіш жастықшалары сияқты қосымшаларда қолдануға мүмкіндік береді.

Қолданбалар

Тартуды бақылау

Дилатантты материалдар ығысудың қоюлану сипатына байланысты белгілі бір өндірістік қолданыста болады. Мысалы, кейбіреулер барлық дөңгелекті жетек жүйелер a тұтқыр муфта қондырғысы алдыңғы және артқы дөңгелектер арасында қуат беруді қамтамасыз ететін кеңейтілген сұйықтыққа толы. Жоғары тартымды жол төсенішінде бастапқы және екінші рульдік доңғалақтар арасындағы салыстырмалы қозғалыс бірдей, сондықтан ығысу төмен және аз қуат беріледі. Алғашқы жетекші доңғалақтар сырғана бастаған кезде, ығысу ұлғаяды, бұл сұйықтықтың қоюлануына әкеледі. Сұйықтық қалыңдағанда, момент толық жетілген күйдегі қуаттың максималды мөлшері ауысқанша екінші рульдік доңғалақтарға берілу пропорционалды өседі. Сондай-ақ оқыңыз: шектеулі сырғанау, олардың кейбір түрлері бірдей принцип бойынша жұмыс істейді ... Оператор үшін бұл жүйе толығымен пассивті, қажет болғанда төрт дөңгелекті де басқарады және қажеттілік өткеннен кейін екі дөңгелекті қозғалтқышқа түсіреді. Бұл жүйе әдетте жол талғамайтын көліктерге қарағанда жолда жүретін көліктерге қолданылады, өйткені сұйылтқыш сұйықтықтың максималды тұтқырлығы муфтадан өтуге болатын моменттің мөлшерін шектейді.

Дене сауыты

Әр түрлі корпоративті және мемлекеттік құрылымдар қайшыны қоюлататын сұйықтықтарды қолдану үшін зерттеу жүргізуде бронь. Мұндай жүйе иеленушіге қалыпты қозғалыс ауқымына икемділік беріп, тесуге қарсы тұру үшін қаттылықты қамтамасыз ете алады оқтар, пышақтау пышақ соққылар және осыған ұқсас шабуылдар. Бұл қағида ұқсас пошта бронь, бірақ дилатантты қолданатын дене сауыты әлдеқайда жеңіл болар еді. Кеңейтетін сұйықтық қолданушы денесінің кеңірек аймағына кенеттен соққы беру күшін шашыратып жіберіп, ашық жарақаттануды төмендетеді. Алайда ағынның пайда болуына мүмкіндік беретін баяу шабуылдарға қарсы, мысалы баяу, бірақ күшті соққы, дилатант қосымша қорғаныс бермейді.[12]

Бір зерттеуде стандартты Кевлар мата Кевлар құрама сауытымен және меншікті қайшыны қалыңдататын сұйықтықпен салыстырылды. Нәтижелер көрсеткендей, Кевлар қалыңдығының үштен біріне жетпейтіндігіне қарамастан, Кевлар / сұйықтық комбинациясы таза Кевлар материалына қарағанда жақсы жұмыс істеді.[12]

Жеке қорғаныс құралдарында қолданылатын дилатантты материалдардың төрт мысалы - Armourgel, d3o, ArtiLage (жасанды шеміршекті көбік) және «Белсенді қорғаныс жүйесі» өндіреді Dow Corning.[13]

2002 жылы зерттеушілер АҚШ армиясының зерттеу зертханасы және Делавэр Университеті қолдануды зерттей бастады сұйық сауыт, немесе дене сауытындағы қайшыны қалыңдататын сұйықтық. Зерттеушілер Кевлар сияқты беріктігі жоғары маталарды сұйықтықпен сіңдіргенде оққа төзімді және пышаққа төзімді бола алатындығын көрсетті.[14][15] «Сұйық сауыт» технологиясының мақсаты - арзан және жеңіл жаңа материал жасау, қазіргі кездегі Кевлар матасымен салыстырғанда баламалы немесе жоғары баллистикалық қасиеттерді ұсына отырып.[16]

Сұйық қару-жарақтағы жұмысы үшін ARL механикалық инженері доктор Эрик Ветцель және оның командасы Армияның ғылыми конференциясында ғылыми жетістіктері үшін армияның ең жоғары наградасы болып табылатын 2002 ж. А. Сипле сыйлығымен марапатталды.[17]

Сондай-ақ қараңыз

Әдебиеттер тізімі

  1. ^ Жүгері крахмалы туралы ғылым қосулы YouTube
  2. ^ Ылғал құм туралы ғылым қосулы YouTube
  3. ^ Коулман, Пол С. Суретші, Майкл М. (1997). Полимер туралы ғылым негіздері: кіріспе мәтін (2-ші басылым). Ланкастер, Па.: Техномик. 412-413 бб. ISBN  978-1-56676-559-6.
  4. ^ Галиндо-Розалес, Франсиско Дж.; Рубио-Эрнандес, Франсиско Дж.; Веласкес-Наварро, Хосе Ф. (22 мамыр 2009). «Аэросил® R816 нанобөлшектерінің полярлық органикалық сұйықтықтардағы суспензияларының ығысуының жүріс-тұрысы». Rheologica Acta. 48 (6): 699–708. Бибкод:1974 Акре..13.1253Дж. дои:10.1007 / s00397-009-0367-7.
  5. ^ Каннингэм, Нил. «Реологиялық мектеп». Brookfield Engineering. Архивтелген түпнұсқа 2011 жылғы 25 шілдеде. Алынған 4 маусым 2011.
  6. ^ Барнс, Х.А .; Хаттон, Дж.Ф .; Уолтерс, К. (1989). Реологияға кіріспе (5. басылым.). Амстердам: Эльзевье. ISBN  978-0-444-87140-4.
  7. ^ Аткинс, Питер (2010). Физикалық химия (9-шы басылым). Нью-Йорк: W. H. Freeman and Co. ISBN  978-1-4292-1812-2.
  8. ^ «Тұтқырлық кестесі». Research Equipment Limited. Алынған 4 маусым 2011.
  9. ^ Моррисон, Ян; Сидней Росс (2002). Коллоидты дисперсиялар: суспензиялар, эмульсиялар және көбіктер. Вили-Интерсианс. б. 512. ISBN  978-0-471-17625-1.
  10. ^ Боерсма, Виллем Н; Джозуа Лавен; Ганс Н Стейн (1990). «Концентрацияланған диспергиядағы қайшыны қоюлату (дилатанс)». AIChE журналы (Қолжазба ұсынылды). 36 (3): 321–332. дои:10.1002 / aic.690360302.
  11. ^ Фарр, Р.С .; т.б. (Маусым 1997). «Қатты стартап ағындарындағы кептелудің кинетикалық теориясы». Физикалық шолу E. 55 (6): 7206–7211. Бибкод:1997PhRvE..55.7203F. дои:10.1103 / physreve.55.7203.
  12. ^ а б Гилл, Виктория (2010-07-09). «Сұйық сауыт» оқты тоқтата алады'". BBC News.
  13. ^ [1] Мұрағатталды 3 маусым 2010 ж Wayback Machine
  14. ^ «Броньға шақыру: армия күшті, жеңілірек және арзан қорғанысты зерттейді». Америка Құрама Штаттары армиясының қауымдастығы. 2016-05-20. Алынған 2018-07-11.
  15. ^ «Сұйық бронь: Делавэр университетінің жаңашылдығы». Body Armor News | BodyArmorNews.com. 2015-03-10. Алынған 2018-07-11.
  16. ^ «АҚШ армиясы сұйық бронды қалай қолданады». Баланс мансаптары. Алынған 2018-07-11.
  17. ^ «Армия ғалымдары, инженерлер денеге сұйық сауыт-сайман жасайды». Түзетулер Бір. Алынған 2018-07-11.

Сыртқы сілтемелер