剪切增稠液(STF)是一类浓颗粒悬浮液。当施加的剪切速率或剪切应力超过一临界值时,STF会发生剪切增稠,特别地,其粘度迅速增长,甚至会发生从连续性的剪切增稠(CST)到非连续性的剪切增稠(DST)甚至剪切堵塞(SJ)的转变。由于具有这种特殊的剪切增稠性质,STF在减震隔振和人体防护等领域有着很大的应用潜力。近年来,研究者们对STF的性能表征,增稠机理和实际应用等领域开展了一系列研究,取得了丰硕的研究成果。然而,目前在STF的性能调控,增稠机理解释和防护应用开发等方面仍然有很多问题需要去探索解决。为此,本文从STF的力学性能表征出发,研究了其应力松弛行为;基于对STF的流变性质的调控,通过研究STF在应力控制模式下的第一法向应力差的演化,提出了判断剪切堵塞产生的依据,揭示了 STF在增稠状态转变过程中的流体润滑和摩擦接触作用之间的竞争机制;后来,将STF应用到防护领域,将其和Kevlar织物复合,制备出高抗刀割和针刺冲击的复合材料,并通过分离式霍普金森压杆装置(SHPB)表征了其在高应变率下的力学性能;除了具有低速抗冲击特性,本文还将这种复合材料应用到防弹领域,通过调控参数来优化其防弹性能,结合实验和有限元仿真的手段揭示了 STF对Kevlar防弹性能的增强机理。具体工作包括以下几个方面:1.STF的制备和应力松弛行为的表征。首先通过乳液聚合法制备出聚苯乙烯丙烯酸乙酯颗粒,并以此研制出剪切增稠性能明显的STF。然后通过流变测量的手段研究了 STF的应力松弛行为和其结构间的关系。颗粒链网络模型和粘弹性模型成功预测了应力松弛,与实验的结果对应很好。通过研究应力松弛行为,发现STF实现增稠状态的转变不仅可以通过增加分散相颗粒的体积分数而且可以通过增加剪切速率和剪切时间来实现。2.STF增稠状态转变的机理研究。由于W-C模型不能准确描述高体积分数STF在应力控制模式下的流动曲线,那么通过W-C模型得到的临界堵塞应力将不再准确。为此,通过研究第一法向应力差来给出STF发生堵塞的判别依据。当STF处于DST时,第一法向应力差为负值,虽然此时STF内部存在摩擦接触,但是其影响被流体润滑作用掩盖。随着剪切应力的增加,摩擦接触的影响愈发明显,逐渐超越流体润滑作用,占据主导地位,第一法向应力差发生从负到正的转变,STF从DST转变为SJ。3.STF/Kevlar的研制和抗冲击性能研究。将Kevlar织物与STF复合,研制出一种新型STF/Kevlar复合材料。落锤实验结果表明,STF的存在显著提升了Kevlar织物的抗针刺和刀割性能。针刺测试中织物失效主要是由于纱线的滑移,而刀割测试主要是由于纱线的断裂。STF/Kevlar复合材料在高应变率下冲击实验结果显示,随着冲击速度的增加,冲击的应变率和材料的模量均呈上升趋势。复合材料的模量随STF体积分数的增加而增加。STF中颗粒体积分数的增加和织物层数的增加降低了能量传递率。Kevlar织物在受到冲击时经历四个阶段。STF主要在滑移和变形阶段通过提高纤维间摩擦,阻止纱线滑移来起增强作用。4.STF/Kevlar的防弹性能研究。将这种复合材料拓展到防弹领域,通过改变影响因素中的参数来优化复合材料的防弹特性。结果表明,提高STF的颗粒体积分数可以增强STF/Kevlar的弹道性能。CNT的添加量具有最佳的数值,在本文研究的浓度范围内,加入质量分数为1%的CNT的防护效果甚至优于1.5%。准静态穿刺中的穿刺力变化趋势与防弹测试结果大致相同。纱线拔出结果表明,STF的引入可以增加织物纱线之间的摩擦系数,而CNT的添加进一步增加了摩擦。弹道冲击的有限元分析结果与实验结果高度吻合。仿真结果揭示了 STF的增强机理,STF提高了纱线之间的摩擦系数,增加了织物的承重面积,并使应力分布更加均匀,从而提高了 Kevlar的弹道性能。