[论文解读] Effect of adhesive interaction on strain stiffening and dissipation in granular gels undergoing yielding

Sebanti Chattopadhyay, Sharadhi Nagaraja+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2022

Granular flow and fluidized beds参考文献 69被引用 8

一句话总结

本研究通过振荡流变学与原位光学成像，探究了粘附性颗粒凝胶中的应变硬化与能量耗散，发现颗粒间粘附力主导了非线性流动行为。作者引入了一个无量纲归一化能量耗散（EN）变量，成功将不同应变振幅与体积分数下的数据统一归一化，并通过颗粒沉降实验直接测定了临界阻塞堆积分数，从而构建了粘附性颗粒系统屈服行为的完整相图。

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.

研究动机与目标

• 理解粘附相互作用在致密颗粒悬浮液屈服过程中非线性力学响应与能量耗散中的作用。
• 阐明粘附性非布朗颗粒凝胶中应变硬化与应变局域化的起源。
• 利用原位成像建立宏观流变行为与局部粒子尺度动力学之间的定量关联。
• 通过颗粒沉降实验直接测量，确定粘附性颗粒系统的临界阻塞堆积分数。
• 构建应变振幅与颗粒体积分数函数的屈服行为详细相图，整合粘附相互作用的影响。

提出的方法

• 采用振荡剪切流变学测量复模量（G′, G′′）及不同应变振幅（γ₀）与体积分数（φ）下的高次谐波响应。
• 通过原位共聚焦光学成像，可视化屈服过程中时空演变的粒子重排与速度涨落。
• 利用重力与离心力下的颗粒沉降实验，通过比较沉降床体积与随机紧密堆积（φrcp）直接测量临界阻塞堆积分数（φJ）。
• 基于颗粒尺寸与体积比的质量标度关系，计算沉降床的三维分形维数（df），反映多孔且具有粘附性的网络结构。
• 提出无量纲归一化能量耗散（EN）变量，实现所有γ₀与φ值下非线性耗散数据的统一归一化。
• 分析应力-应变的李萨如图，识别应变硬化与不可逆形变的特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在振荡剪切下，粘附相互作用如何影响致密颗粒凝胶中的应变硬化与能量耗散？
• RQ2 颗粒体积分数（φ）与应变振幅（γ₀）在决定粘附性颗粒系统屈服的起始与性质中起什么作用？
• RQ3 是否存在一个普适的标度变量，可统一描述φ与γ₀全范围内非线性流动行为？
• RQ4 局部粒子重排与速度涨落如何与宏观能量耗散及屈服转变相关联？
• RQ5 粘附性颗粒系统的临界阻塞堆积分数（φJ）是多少？它如何调控系统的流变响应？

主要发现

• 归一化能量耗散（EN）成功将所有测试的γ₀与φ值下的非线性耗散数据统一归一化，表明存在普适的标度行为。
• 应变硬化与塑性成为非线性区域的关键特征，原位成像观察到不可逆粒子重排，其与局部速度涨落密切相关。
• 通过颗粒沉降实验直接测得临界阻塞堆积分数（φJ），结果为φJ ≈ 0.02（玉米淀粉在石蜡油中）。
• 构建了详细的相图，显示了弹性响应、应变硬化与流化等不同区域，其转变由φ与γ₀共同决定。
• 添加表面活性剂（c = 0.4%）消除了应变硬化并降低了应力响应，证实粘附相互作用在非线性力学中的关键作用。
• 沉降床的三维分形维数（df）随初始φ减小而降低，表明在较低体积分数下形成更疏松、具有粘附性的网络结构。