[论文解读] Unifying disparate experimental views on shear-thickening suspensions.

Philippe Bourrianne, Vincent Niggel+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2020

Granular flow and fluidized beds参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究通过在模型体系中独立调控颗粒表面化学性质和粗糙度，实验性地解耦了流体动力学力与颗粒摩擦在剪切变稠悬浮液中的作用。研究结果表明，氢键作用对实现不连续剪切变稠（DST）至关重要，而表面化学性质与粗糙度共同调控连续剪切变稠（CST），从而可通过固定体积分数的颗粒混合物精确调控剪切变稠转变。

ABSTRACT

Shear thickening denotes the rapid and reversible increase in viscosity of a suspension of rigid particles under external shear. This ubiquitous phenomenon has been documented in a broad variety of multiphase particulate systems, while its microscopic origin has been successively attributed to hydrodynamic interactions and frictional contact between particles. The relative contribution of these two phenomena to the magnitude of shear thickening is still highly debated and we report here a discriminating experimental study using a model shear-thickening suspension that allows us to tune independently both the surface chemistry and the surface roughness of the particles. We show here that both properties matter when it comes to continuous shear thickening (CST) and that the presence of hydrogen bonds between the particles is essential to achieve discontinuous shear thickening (DST) by enhancing solid friction between closely contacting particles. Moreover, a simple argument allows us to predict the onset of CST, which for these highly-textured particles occurs at a critical volume fraction much lower than that previously reported in the literature. Finally, we demonstrate how mixtures of particles with opposing surface chemistry make it possible to finely tune the shear-thickening response of the suspension at a fixed volume fraction, paving the way for a fine control of shear-thickening transition in engineering applications.

研究动机与目标

• 解决长期存在的争议：即在悬浮液中剪切变稠现象是由流体动力学力主导，还是由颗粒摩擦主导。
• 通过实验手段独立分离并量化表面化学与表面粗糙度对连续剪切变稠（CST）和不连续剪切变稠（DST）的独立贡献。
• 阐明氢键在实现强颗粒间摩擦（DST所必需）中的关键作用。
• 建立高度纹理化颗粒中连续剪切变稠起始的预测准则。
• 通过在固定体积分数下混合具有相反表面化学性质的颗粒，实现剪切变稠行为的可调性。

提出的方法

• 采用模型剪切变稠悬浮液，通过表面功能化和表面纹理化技术独立调控颗粒的表面化学性质与粗糙度。
• 在受控剪切速率下进行流变测量，以量化粘度变化并识别CST与DST的转变点。
• 通过引入亲水性（如–OH）和疏水性（如–CH3）官能团调节表面化学性质，以调控颗粒间相互作用。
• 利用可控蚀刻或涂层技术系统性调节表面粗糙度，以改变颗粒接触力学行为。
• 基于颗粒堵塞与摩擦接触的理论分析，预测连续剪切变稠的起始条件。
• 制备具有对比表面化学性质（如亲水与疏水）的颗粒混合物，以探索在固定体积分数下剪切变稠响应的可调性。

实验结果

研究问题

• RQ1 流体动力学相互作用与颗粒摩擦在悬浮液剪切变稠中各自贡献如何？
• RQ2 表面化学与表面粗糙度如何独立影响连续剪切变稠（CST）的起始点与强度？
• RQ3 氢键在实现不连续剪切变稠（DST）中发挥何种作用？
• RQ4 能否基于颗粒纹理与颗粒间作用力预测连续剪切变稠的起始？
• RQ5 在固定体积分数下，通过混合具有相反表面化学性质的颗粒，剪切变稠转变的可调范围有多大？

主要发现

• 颗粒间氢键作用对实现不连续剪切变稠（DST）至关重要，因其可增强近距离接触时的固体摩擦。
• 表面化学与表面粗糙度均显著影响连续剪切变稠（CST），二者协同作用使CST起始的临界体积分数低于以往报道值。
• 高度纹理化颗粒中连续剪切变稠的起始临界体积分数显著低于光滑或相互作用较弱的体系。
• 在固定体积分数下，通过混合具有相反表面化学性质（如亲水与疏水）的颗粒，可实现剪切变稠响应的精细调控。
• 基于颗粒堵塞与摩擦接触的简单理论模型可准确预测纹理化悬浮液中连续剪切变稠的起始点。
• 本研究提供了实验证据，表明由氢键增强的颗粒摩擦接触是不连续剪切变稠的关键驱动力。