딜라탄트

희석제(/daɪleɪtənt/, /dɪ-/) 재료는 전단 변형률에 따라 점성이 증가하는 재료다. 이니셜리즘 STF로도 알려진 이러한 전단강화 유체는 비뉴턴 유체의 한 예다. 이러한 행동은 보통 순수 물질에서는 관찰되지 않지만, 중단 시 발생할 수 있다.

희석제는 전단 응력을 가하면 전단 점도가 증가하는 비뉴턴 액이다. 이 행동은 뉴턴의 법칙에서 한 가지 유형의 편차에 불과하며, 입자 크기, 모양, 분포와 같은 요인에 의해 제어된다. 이러한 현수막의 성질은 해마커 이론과 반 데르 발스 힘에 따라 달라지며 정전기 또는 정전기적으로 안정될 수 있다. 전단두께화 작용은 콜로이드 서스펜션이 안정상태에서 점착상태로 전환될 때 발생한다. 이들 계통의 성질의 많은 부분은 콜로이드라고 알려진 분산에 있는 입자의 표면 화학 때문이다.

이것은 표면에 부딪히거나 던졌을 때 직관에 반하는 방식으로 작용하는 옥수수 녹말과 물^[1](오블리크라고도 함)의 혼합으로 쉽게 볼 수 있다. 물에 완전히 적신 모래도 희석 물질로 작용한다. 젖은 모래 위를 걸을 때 발밑에 바로 건조한 지역이 나타나는 이유다.^[2]

Rheopecty는 시간이 지남에 따라 누적된 스트레스나 동요와 함께 점성이 증가하는 유사한 성질이다. 희석 물질의 반대는 가성소다.

정의들

실제 시스템에서 관찰되는 뉴턴의 법칙과는 두 가지 유형의 편차가 있다. 가장 일반적인 편차는 전단 박리 동작으로, 전단률이 증가함에 따라 시스템의 점도가 감소한다. 두 번째 편차는 전단률이 증가할수록 시스템의 점도 증가하는 전단 두께화 동작이다. 이 행동은 시스템이 스트레스를 받으면 결정화되어 해결책이라기보다는 고체처럼 행동하기 때문에 관찰된다.^[3] 따라서 전단강화 유체의 점도는 전단율에 따라 달라진다. 부유 입자의 존재는 종종 용액의 점성에 영향을 미친다. 사실, 올바른 입자로 뉴턴 액체가 아닌 행동을 보일 수 있다. 이것의 예는 물에 있는 옥수수 녹말이며 아래의 예 섹션에 포함되어 있다.

전단 두께화 동작을 제어하는 매개변수는 입자 크기 및 입자 크기 분포, 입자 체적 분율, 입자 형태, 입자-입자 상호 작용, 연속 위상 점도, 변형 유형, 속도 및 시간이다. 이러한 파라미터 외에도 모든 전단 두께화 유체는 안정화된 서스펜션이 되며 고체의 부피 비율이 비교적 높다.^[4]

전단률 함수로서의 용액의 점도는 파워 로 방정식에 의해 주어진다.^[5]

${\displaystyle \eta =K{\dot {\gamma }^{n-1}}$

여기서 η은 점도, K는 재료에 기초한 상수, γ̇은 적용된 전단율이다.

희석작용은 n이 1보다 클 때 발생한다.

아래는 몇 가지 일반적인 재료에 대한 점성 값 표 입니다.^[6][7][8]

재료	점도(cP)
벤젠	0.60
사염화탄소	0.88
에탄올	1.06
물	1–5
수성.	1.55
펜탄	2.24
피	10
부동액	14
황산	27
메이플 시럽	150–200
여보	2,000–3,000
초콜릿 시럽	10,000–25,000
케첩	50,000–70,000
땅콩버터	150,000–250,000

안정화정지

현수막은 상이한 이질적인 단계에 걸쳐 분산된 미세 먼지 단계로 구성된다. 전단 두께거동은 액체 위상 내에 분산된 고형 입자 위상이 있는 시스템에서 관찰된다. 이러한 용액은 불안정하다는 점에서 콜로이드와 다르다; 산포의 고체 입자는 침전될 수 있을 만큼 충분히 크기 때문에 결국 정착하게 된다. 반면에 콜로이드 안에 분산된 고체는 더 작고 정착되지 않을 것이다. 서스펜션을 안정화하는 방법에는 전기와 스테레오 등 여러 가지가 있다.

불안정한 정지 상태에서, 중력이나 해머커 끌어당김과 같은 입자에 작용하는 힘에 대응하여 분산된 입자 단계가 용해에서 나올 것이다. 이러한 힘이 미립자 단계를 용액 밖으로 끌어내는 데 미치는 영향은 미립자의 크기에 비례한다. 큰 미립자의 경우 중력력이 입자-입자 상호작용보다 큰 반면 작은 미립자의 경우 그 반대다. 전단 두께화 작용은 일반적으로 작고 단단한 입자의 지지대에서 관찰되며, 이는 입자 입자 해머커 끌어당김이 지배적인 힘임을 나타낸다. 따라서 서스펜션을 안정화시키는 것은 역방향 반발력을 도입하는 것에 달려 있다.

해머커 이론은 미립자와 같은 신체 사이의 매력을 설명한다. 반 데르 발스 힘에 대한 설명은 유도 쌍극자를 가진 두 분자 사이의 상호작용을 설명하는 것에서부터 몸 사이의 모든 분자간 힘을 합함으로써 거시적 규모의 신체까지 확대시킬 수 있다는 것이 실현되었다. 반 데르 발스 힘과 유사하게, 해마커 이론은 입자와 입자 사이의 상호작용의 크기를 거리의 제곱에 반비례하는 것으로 설명한다. 따라서 안정화된 많은 정지에는 상호작용하는 신체가 충분한 거리에 있을 때 해머커의 매력보다 지배적인 장거리 반발력이 통합되어 있어 신체가 서로 접근하는 것을 효과적으로 방지한다. 그러나 단거리에서는 해머커의 매력이 지배적이어서 미립자가 응고되어 용액에서 떨어진다. 서스펜션을 안정화하는 데 사용되는 두 가지 일반적인 장기 힘은 전기와 스테레오 이다.

정전기 안정화 서스펜션

액체 전해액에 분산된 유사충전 입자의 서스펜션이 헬름홀츠 이중층 모델에 의해 설명된 영향을 통해 안정화된다. 그 모델은 두 개의 층을 가지고 있다. 첫 번째 층은 입자의 충전된 표면으로 전해질의 이온에 영향을 미치는 정전기장을 생성한다. 이에 대해 이온은 균등과 반대 전하의 확산층을 생성해 표면 전하를 효과적으로 중립으로 만든다. 그러나 확산층은 대량 전해질과는 다른 입자를 둘러싸는 전위를 생성한다.

확산층은 입자의 안정화를 위한 장기적 힘의 역할을 한다. 입자가 서로 가까이 있을 때 한 입자의 확산층이 다른 입자의 확산층과 겹치면서 반발력이 발생한다. 다음 방정식은 해머커 상호작용과 정전기 반발의 결과로 두 콜로이드 사이에 에너지를 제공한다.

${\displaystyle V=\pi R\왼쪽({\frac {-H}{12\pi h^{2}}+{\frac {64CkT\Gamma^{2}e^{2}e^{}{\h}{\cappa ^{2}}}\오른쪽),}}$

여기서:

V = 한 쌍의 콜로이드 사이의 에너지,

R = 콜로이드의 반지름,

-H = 콜로이드와 용매 사이의 해머 상수,

h = 콜로이드 사이의 거리,

C = 표면 이온 농도,

k = 볼츠만 상수,

T = 켈빈 단위의 온도,

${\displaystyle \mathrm{\gamma }}$ ${\displaystyle \Gamma }$ $$= 표면 초과,

${\displaystyle \kappa }$ ${\displaystyle \kappa }$ $$= 데비예 역 길이.

강직하게 안정화된 서스펜션

전기학과는 달리, 강직하게 안정된 서스펜션이 서스펜션을 안정화시키기 위해 입자의 표면에 부착된 폴리머 체인의 물리적 상호작용에 의존한다. 흡착된 폴리머 체인은 해머와 도미니카 사이의 흡인을 방지하기 위해 충분한 거리에서 매달린 입자를 분리하는 스페이서 역할을 한다.ng 및 서스펜션에서 입자를 꺼낸다. 중합체는 일반적으로 입자의 표면에 접목되거나 흡착된다. 접목된 중합체로 폴리머 체인의 등뼈는 입자 표면에 균일하게 결합된다. 반면 흡착 폴리머는 극소성 및 극소성 영역으로 구성된 복합체로, 극소성 영역은 입자 표면에 비동결적으로 부착되며 극소성 영역은 강체 경계 또는 스페이서를 형성한다.

전단 두께화 동작의 이론

콜로이드의 희석성, 즉 전단력이 있는 상태에서 명령하는 능력은 인터피사이드 힘의 비율에 따라 달라진다. 반데르발스 힘과 같은 인터피사 힘이 지배하는 한, 매달린 입자들은 순서가 정해진 층에 남게 된다. 그러나 일단 전단력이 지배하면 입자는 점착 상태로 들어가 더 이상 현수 상태로 고정되지 않고 고체처럼 행동하기 시작한다. 전단력을 제거하면 입자들이 흩어져 다시 한번 안정된 서스펜션을 형성한다.

전단두께거동은 액체 내에 부유된 고형분자의 부피율에 따라 크게 좌우된다. 체적분율이 높을수록 전단 두께화 거동을 시작하는 데 필요한 전단량이 감소한다. 유체가 뉴턴 흐름에서 전단 두께화 동작으로 전환되는 전단 속도를 임계 전단 속도라고 한다.

무질서 전환 순서

비교적 낮은 전단율로 농축된 안정화 용액을 깎을 때, 반발입자-입자-입자 상호작용은 입자를 순서가 정해진 층의 평형 구조로 유지시킨다. 그러나 임계 전단 속도 이상으로 상승된 전단 속도에서 입자를 함께 밀어내는 전단력은 반발하는 입자와 입자 사이의 상호작용을 극복하여 입자를 평형 위치에서 벗어나게 한다. 이는 질서 없는 구조로 이어져 점도의 증가를 초래한다.^[9]

여기서 임계 전단률은 입자를 함께 밀어내는 전단력이 반발입자 상호작용과 동등한 전단 속도로 정의된다.

하이드로클러스터링

안정화된 서스펜션의 입자가 움직이지 않는 상태에서 이동 상태로 전환되면 작은 입자군이 하이드로클러스터를 형성하여 점도를 높인다. 이러한 하이드로클러스터는 순간적으로 함께 압축된 입자로 구성되어 있으며, 로그잼이나 교통체증과 유사한 불규칙한 막대 모양의 입자 사슬을 형성하고 있다. 이론적으로, 입자들은 극히 작은 인터피사이드 갭을 가지고 있어서, 이 순간적이고 일시적인 하이드로클러스터를 압축할 수 없는 상태로 만든다. 집계를 통해 추가적인 하이드로클러스터가 형성될 가능성이 있다.^[10]

예

옥수수 전분 및 물(오크)

콘스타치는 요리에 사용되는 흔한 걸쭉한 물질이다. 전단살해 시스템의 매우 좋은 예가 되기도 한다. 물과 옥수수 녹말의 1:1.25 혼합물에 힘을 가하면, 그 혼합물은 고체로 작용하여 그 힘에 저항한다.

실리카와 폴리에틸렌 글리콜

실리카 나노 입자는 폴리에틸렌 글리콜 용액으로 분산된다. 실리카 입자는 플로크레이션이 발생할 때 고강도 물질을 제공한다. 이를 통해 액체 보디 갑옷과 브레이크 패드와 같은 용도에 사용할 수 있다.

적용들

트랙션 컨트롤

희석 물질은 전단 염증 작용으로 인해 특정 산업 용도가 있다. 예를 들어 일부 4륜 구동 시스템은 희석액이 가득 찬 점성 커플링 유닛을 사용하여 프론트 휠과 리어 휠 사이의 동력 전달을 제공한다. 높은 굴절 도로 표면화에서는 1차 구동 휠과 2차 구동 휠 사이의 상대적인 움직임이 동일하므로 전단력이 낮고 동력 전달이 거의 되지 않는다. 1차 구동 휠이 미끄러지기 시작하면 전단력이 증가하여 유체가 두꺼워진다. 오일이 두꺼워지면 완전 두꺼워진 상태에서 가능한 최대 동력량이 전달될 때까지 2차 구동 휠로 전달되는 토크가 비례적으로 증가한다. (일부 유형의 미끄럼 방지 디퍼렌셜도 참조하십시오.) 운전자에게 이 시스템은 네 개의 휠을 모두 연결하여 필요할 때 주행하도록 하고, 니즈가 지나면 다시 두 개의 휠 구동으로 떨어뜨리는 완전히 수동적이다. 이 시스템은 일반적으로 확장 유체의 최대 점도가 커플링을 통과할 수 있는 토크의 양을 제한하기 때문에 오프로드 차량이 아닌 온로드 차량에 사용된다.

보디 갑옷

다양한 기업 및 정부 기관들은 전신 갑옷으로 사용하기 위한 전단 살충제의 적용을 연구하고 있다. 그러한 시스템을 사용하면 착용자는 정상적인 이동 범위에 유연성을 가질 수 있지만, 총탄에 의한 피어싱, 칼부림 및 이와 유사한 공격에 저항할 수 있는 경직성을 제공할 수 있다. 희석제를 사용한 방탄복은 훨씬 가벼워지겠지만, 그 원리는 우편물 갑옷과 비슷하다. 팽창액으로 인해 사용자 신체의 더 넓은 부위에 갑작스러운 타격의 힘이 분산되어 둔기 외상이 줄어들게 된다. 그러나 이 희석제는 느리지만 힘있게 찌르는 것과 같은 느린 공격에 대해 추가적인 보호를 제공하지 않을 것이며, 이는 흐름이 일어날 수 있게 할 것이다.^[11]

한 연구에서 표준 케블라 원단은 케블라의 복합 갑옷과 전용 전단 염증 액체와 비교되었다. 그 결과 케블라/유체 조합은 케블라 두께가 3분의 1 미만이었음에도 불구하고 순수 케블라 소재보다 우수한 성능을 보였다.^[11]

개인보호장비에 쓰이는 희석물질의 예로는 다우코닝이 제조한 아르무르겔, D3O, 아르티레이지(인공연골 거품), '능동방호시스템' 등 4가지가 있다.^[12]

2002년, 미국 육군 연구소와 델라웨어 대학의 연구원들은 체구 갑옷에 전단을 가는 액체류인 액체 갑옷의 사용을 연구하기 시작했다. 연구자들은 케블러와 같은 고강도 원단이 액체에 스며들면 더 많은 방탄복과 찌르기에 내성이 있다는 것을 증명했다.^[13][14] '액체 갑옷' 기술의 목표는 기존 케블라 원단에 비해 동급 또는 우월한 탄도 특성을 여전히 제공하면서도 저렴하고 가벼운 신소재를 만드는 것이다.^[15]

액체 갑옷에 대한 그들의 연구로, ARL 기계 엔지니어인 Eric Wetzel 박사와 그의 팀은 2002년 Paul A를 받았다. 육군 과학대회에서 육군의 과학 업적 최고상인 시플상.^[16]

D3O사는 모터사이클 및 익스트림 스포츠 보호 장비, 산업용 작업복, 군사용 애플리케이션, 전자제품에 대한 충격 보호 등 광범위한 표준 및 맞춤형 애플리케이션 전반에 걸쳐 광범위한 적응을 거친 비뉴턴 기반 소재를 개발했다. 이 재료는 정상적인 마모 중에는 유연성을 허용하지만 강한 충격을 받으면 뻣뻣해지고 보호된다. 일부 제품은 직접 판매되지만, 제조 능력의 상당 부분은 보호 제품 라인에 사용할 수 있도록 해당 재료를 다른 회사에 판매하고 라이센스를 부여하는 데 있다.

참고 항목

참조

외부 링크

• 전단두께유체(STF) 원단: 간행물
• 액체 보디 아머: 보호 장비에 전단-티크닝 유체를 적용하는 연구자
• 육군 과학: 로봇, 액체 갑옷 및 가상 현실
• "액체 장갑 시험용 트롭스"
• 유튜브에서 전분 슬러리의 희석성 행동 시연
• 유투브에서 폴란드에서 시험한 액체 보디 갑옷