[论文解读] Ageing under oscillatory stress: Role of energy barrier distribution in soft glassy materials

Asheesh Shukla, Yogesh M. Joshi|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2008

Material Dynamics and Properties被引用 4

一句话总结

本研究探讨了振荡应力下粘土悬浮液老化行为，揭示了应变诱导势垒能垒增强，导致粘度、应变与老化之间的反馈回路。结果是在选择性地使浅势阱中的颗粒屈服时，弹性模量和黏性模量突然且应力依赖性地显著上升；而深势阱中的颗粒则维持长时间老化，盐诱导的微结构变化显著改变了能垒高度分布和老化动力学。

ABSTRACT

In this work the ageing dynamics of soft solids of aqueous suspension of laponite has been investigated under the oscillatory stress field. We observed that at small stresses elastic and viscous moduli showed a steady rise with the elastic modulus increasing at a faster rate than the viscous modulus. However at higher stresses both the moduli underwent a sudden rise by several orders of magnitude with the onset of rise getting shifted to a higher age for a larger shear stress. We believe that the observed behavior is due to interaction of barrier height distribution of the potential energy wells in which the particle is trapped and strain induced potential energy enhancement of the particles. Strain induced in the material causes yielding of the particles that are trapped in the shallower wells. Those trapped in the deeper wells continue to age enhancing the cage diffusion timescale and thereby the viscosity which lowers the magnitude of strain allowing more particles to age. This coupled dependence of strain, viscosity and ageing causes forward feedback for a given magnitude of stress leading to sudden rise in both the moduli. Changing the microstructure of the laponite suspension by adding salt affected the barrier heights distribution that showed a profound influence on the ageing behavior. Interestingly, this study suggests a possibility that any apparently yielded material with negligible elastic modulus, may get jammed at a very large waiting time.

研究动机与目标

• 理解振荡应力如何影响软玻璃态材料（如粘土悬浮液）的老化动力学。
• 研究势阱中能量势垒分布对老化过程中力学响应的影响。
• 探讨应变诱导势能增强如何驱动粘度、应变与老化之间的反馈机制。
• 考察通过添加盐引起的微结构变化对势垒高度分布和老化行为的影响。
• 确定弹性模量可忽略的材料在长时间等待后是否最终可重新结团。

提出的方法

• 对水基粘土悬浮液施加振荡应力，以探测老化动力学。
• 在不同应力振幅下测量随时间变化的弹性模量和黏性模量。
• 分析颗粒被束缚在势阱中时的能量势垒分布。
• 建模应变诱导的势能阱增强，导致浅阱中颗粒选择性屈服。
• 通过添加盐改变微结构，从而改变能量势垒高度分布。
• 通过时间分辨流变测量观察粘度、应变与老化之间的反馈。

实验结果

研究问题

• RQ1 振荡应力如何影响粘土悬浮液老化过程中弹性模量和黏性模量的演化？
• RQ2 能量势垒高度分布在应力下模量突然增加的起始点和幅度中起什么作用？
• RQ3 应变诱导势能增强如何导致粘度、应变与老化之间的反馈回路？
• RQ4 通过添加盐引起的微结构改性如何改变能量势垒分布和老化行为？
• RQ5 一种看似已屈服（弹性模量可忽略）的材料是否在长时间等待后最终可重新结团？

主要发现

• 在低应力下，弹性模量和黏性模量均稳定上升，且弹性模量上升速度超过黏性模量。
• 在较高应力下，两种模量均发生突然的、数量级的增加，且随着剪切应力增大，该上升的起始时间向更晚的老化阶段推移。
• 所观察到的行为源于一个反馈回路：应变使浅势阱中的颗粒屈服，而深势阱中的颗粒继续老化，导致粘度增加、应变减小，从而允许更多颗粒老化。
• 添加盐改变了微结构，从而改变了能量势垒高度分布，并深刻影响老化动力学。
• 本研究表明，即使弹性模量可忽略的材料，在足够长的等待时间后也可能最终重新结团，表明在看似屈服状态下存在长期恢复的潜力。