[논문 리뷰] Effect of adhesive interaction on strain stiffening and dissipation in granular gels undergoing yielding

Sebanti Chattopadhyay, Sharadhi Nagaraja외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 23.

Granular flow and fluidized beds참고 문헌 69인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 진동 rheology와 현장 내 광학 영상 기법을 사용하여 黏着성 입자 덩어리 젤에서 변형 강화 및 에너지 소산을 조사하며, 입자 간 상호작용이 비선형 유동 거동을 지배함을 밝혀냈다. 저자들은 다양한 변형 진폭과 부피율에서 데이터를 통합하기 위해 무차원화된 에너지 소산(EN) 변수를 도입하였고, 입자 침강 실험을 통해 비틀림 잠김 부피율을 직접 측정하여 黏着성 입자계의 유동 전이 거동에 대한 종합적인 상도를 구축하였다.

ABSTRACT

Stress induced yielding/fluidization in disordered solids, characterized by irreversibility and enhanced dissipation, is important for a wide range of industrial and geological processes. Although, such phenomena in thermal systems have been extensively studied, they remain poorly understood for granular solids. Here, using oscillatory shear rheology and in-situ optical imaging, we study energy dissipation in a dense granular suspension of adhesive particles that forms yield stress solids far below the isotropic jamming point obtained in the limit of hard-sphere repulsion. We find interesting non-linear flow regimes including intra-cycle strain stiffening and plasticity that strongly depend on the applied strain amplitude ($\gamma_0$) and particle volume fraction ($\phi$). We demonstrate that such nonlinearity over the entire parameter range can be effectively captured by a dimensionless variable termed as the normalized energy dissipation ($E_N$). Furthermore, in-situ optical imaging reveals irreversible particle rearrangements correlating with the spatiotemporal fluctuations in local velocity, the nature of which strikingly varies across the yielding transition. By directly measuring the critical jamming packing fractions using particle settling experiments, we propose a detailed phase diagram that unravels the role of inter-particle interactions in controlling the flow properties of the system for a wide range of $\gamma_0$ and $\phi$ values.

연구 동기 및 목표

• 밀도 있는 입자 현탁액에서 비선형 기계적 반응과 유동 시 에너지 소산에 대한 黏着성 상호작용의 역할을 이해하는 것.
• 黏着성 비브라운 입자 젤에서 변형 강화 및 국소화의 기원을 규명하는 것.
• 현장 내 영상 기반으로 거시적 rheological 거동과 미세입자 척도의 운동 간 정량적 연관성을 수립하는 것.
• 입자 침강 실험을 통한 직접 측정을 통해 黏着성 입자계의 임계 비틀림 잠김 부피율을 결정하는 것.
• 변형 진폭과 입자 부피율에 따라 유동 전이 거동을 상세히 묘사하는 상도를 구성하는 것. 이때 黏着성 상호작용을 포함한다.

제안 방법

• 다양한 변형 진폭(γ₀)과 부피율(φ)에서 복소 점탄도(G′, G′′)와 고조파 반응을 측정하기 위해 진동 비틀림 rheology를 사용하였다.
• 유동 시의 공간-시간적 입자 재배열과 속도 변동을 시각화하기 위해 현장 내 공형 광학 영상 기법을 시행하였다.
• 중력 및 원심력 하에서 입자 침강 실험을 수행하여 침강된 침전층 부피와 무작위 밀도 밀착 부피율(φrcp)을 비교함으로써 임계 비틀림 잠김 부피율(φJ)을 직접 측정하였다.
• 입자 크기와 부피 비율의 질량 척도 관계를 사용하여 침강된 침전층의 3차원 분수차원(df)을 계산하였으며, 이는 다공성이고 黏着성 네트워크의 구조를 반영한다.
• 모든 γ₀ 및 φ 값에서 비선형 소산 데이터를 통합하기 위해 무차원화된 정규화된 에너지 소산(EN) 변수를 도입하였다.
• 응력 대 변형의 Lissajous 도표를 분석하여 변형 강화 및 영구 변형 특징을 식별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 진동 비틀림 하에서 밀도 있는 입자 젤에서 黏着성 상호작용이 변형 강화 및 에너지 소산에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 입자 부피율(φ)과 변형 진폭(γ₀)이 黏着성 입자계에서 유동 전이의 시작과 성격을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 모든 φ 및 γ₀ 범위에서 비선형 유동 거동을 포괄하는 유일한 척도 변수를 도출할 수 있는가?
• RQ4 국소적 입자 재배열과 속도 변동은 거시적 에너지 소산 및 유동 전이 전이와 어떻게 관련되는가?
• RQ5 黏着성 입자계의 임계 비틀림 잠김 부피율(φJ)은 무엇이며, 이는 시스템의 rheological 반응을 어떻게 규정하는가?

주요 결과

• 정규화된 에너지 소산(EN)이 모든 시험된 γ₀ 및 φ 값에서 비선형 소산 데이터를 성공적으로 통합하여, 보편적인 척도 행동을 나타내었다.
• 비선형 영역에서 변형 강화와 소성변형이 주요 특징으로 나타났으며, 현장 내 영상에서 관찰된 영구적 입자 재배열이 국소 속도 변동과 관련이 있었다.
• 입자 침강 실험을 통해 임계 비틀림 잠김 부피율(φJ)을 직접 측정하였으며, 옥수수 전분을 파라핀 기름에 첨가한 경우 φJ ≈ 0.02의 값을 얻었다.
• 세부적인 상도가 구성되었으며, 탄성 반응, 변형 강화, 유체화 영역이 명확히 구분되었고, 전이 조건은 φ와 γ₀에 의해 지배되었다.
• 계면활성제(c = 0.4%)의 첨가로 변형 강화가 사라지고 응력 반응이 감소하여, 黏着성 상호작용이 비선형 역학에서의 핵심 역할을 한다는 것이 확인되었다.
• 침강된 침전층의 3차원 분수차원(df)은 초기 φ가 감소할수록 감소함을 발견하여, 낮은 부피율에서 더 다공성이고 黏着성 네트워크의 구조를 나타내었다.