[논문 리뷰] A Shear Thickening transition in concentrated suspensions under Impact

Shomeek Mukhopadhyay, Benjamin Allen외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 02.

Sports Dynamics and Biomechanics인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 충격에 의해 유도되는 이전에 보고되지 않은 비연속적 점성 증가 전이를 밝혀내며, 이는 임계 충격 속도를 초과할 경우 고체 유사 영역이 형성되어 사람의 체중을 지탱할 수 있는 큰 응력을 생성한다는 것이다. 이 메커니즘은 DST 유체 표면 위를 달릴 수 있는 원리를 설명하며, 이전의 유체역학적, 비점성 증가 또는情성 모델의 한계를 해결한다.

ABSTRACT

Discontinous Shear Thickening (DST) fluids show a remarkable effect where the suspension behaves like a liquid at low shear rates, but when sheared very hard, resistance to flow increases discontinously with shear rate. This effect has been observed in a large variety of concentrated suspensions of hard, frictional and non attractive particles. DST fluids also show strong impact response such as the ability of a person to run on the surface of a pool filled with a suspension of cornstarch and water. Current models of shear thickening based on lubrication hydrodynamics, dilatancy, and inertial displacement fail to explain the ability of a person to run on the surface and impact response in general. In our experiments we discover a transition at a critical impact velocity in DST fluids above which fronts of solid like regions are generated in the fluid and the collision of these fronts with a solid boundary leads to a shear thickening transition which has not been previously predicted or reported. The large stresses generated above the shear thickening transition are enough to hold up the weight of a person and have potential applications for protective materials.

연구 동기 및 목표

• 사람이 DST 유체 표면 위를 달릴 수 있는 물리적 메커니즘을 이해하는 것.
• 기존의 점성 증가 모델이 농축된 분산계에서의 충격 저항을 설명하지 못하는 이유를 규명하는 것.
• 충격 속도가 새로운 종류의 점성 증가 전이를 유도하는 역할을 조사하는 것.
• 이 현상이 보호 재료 설계에 어떻게 활용될 수 있는지 탐색하는 것.

제안 방법

• 고체이며 상호작용이 없는 입자로 이루어진 농축된 분산계를 제어된 충격 조건 하에서 실험적으로 연구하였다.
• 고속 영상 기술을 사용하여 충격 중에 고체 유사 영역의 형성과 전파를 시각화하였다.
• 충격 속도를 변화시키며 응력 증폭의 시작 시점을 관찰함으로써 임계 충격 속도를 결정하였다.
• 유체의 응력 반응을 측정하여 유체 유사 행동에서 고체 유사 행동으로의 전이를 정량화하였다.
• 고체 경계와의 고체 유사 영역 전면의 충돌 동역학을 분석하여 국소 응력 집중 메커니즘을 이해하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사람이 옥수수 전분과 물의 혼합물처럼 DST 유체 표면 위를 달릴 수 있게 하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 DST 유체에서 새로운 점성 증가 전이가 나타나는 임계 충격 속도는 얼마인가?
• RQ3 충격 중에 고체 유사 영역은 어떻게 형성되고 전파되며, 응력 생성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 기존의 점성 증가 모델이 관측된 충격 저항을 설명하지 못하는 이유는 무엇인가?
• RQ5 이 충격 유도 전이 현상을 보호 재료 응용에 활용할 수 있는가?

주요 결과

• 임계 충격 속도를 초과할 경우 DST 유체에서 고체 유사 영역이 형성되어 이전에 보고되지 않은 비연속적 점성 증가 전이가 발생한다는 것이 규명되었다.
• 이 전이에 의해 발생하는 응력은 사람의 체중을 지탱할 정도로 충분하여, 유체 표면 위를 달리는 현상을 설명할 수 있다.
• 고체 유사 영역의 전면은 유체 내부를 전파되며 경계와 충돌함으로써 국소 응력을 크게 증폭시킨다.
• 이 전이는 전통적인 점성 증가와 다름으로, 정 steady shear 가 아닌 충격에 의해 유도된 구조 재조직화에 의해 주도된다.
• 이 현상은 윤활, 비점성 증가 또는 관성 이동 모델로는 설명되지 않으며, 새로운 물리적 메커니즘이 있음을 시사한다.