高分子材料的影响

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高分子材料的影响范文第1篇

关键词：高分子材料 高分子的环境因素 老化变现 老化机理 高分子材料的研究进展

所谓的高分子材料就是相对分子量较高的化合物构成的材料。早在人类文明发展开始阶段，高分子材料就被人们充分利用，利用蚕丝织布，用秸秆、木材造纸等；高分子材料发展历史之久远，而发展至今——高科技时代，高分子材料在人们日常生活中更是比比皆是，如橡胶、塑料、涂料、纤维等。然而影响高分子材料的环境因素有很多，如日光照射，温湿度，外部机械受力等，这些都不同程度导致了高分子材料的老化，缩短了使用寿命，虽然科学研究领域在高分子材料上有了实质性的进步和一定的效果，如各种光稳定剂，抗氧化剂等产品，但这些也只能延缓高分子材料的使用寿命，仍不能完全杜绝高分子材料的老化，迄今高分子材料老化问题仍是科学界无法攻克的难题。

一、影响高分子材料老化的环境因素

1.太阳光对高分子的影响

目前太阳光是影响高分子材料老化的主要原因，而且是不可避免的，太阳光中含有大量的紫外线，是最容易被高分子材料中的醛基和酮基所吸收，从而产生复杂的化学反应；另一部分太阳光中的红外线，红外线接触高分子材料后，使得高分子材料吸收温度迅速上升，这就加剧了高分子材料的热老化性，从而降低了使用寿命。

2.空气中氧对高分子的影响

氧无处不在，而且属于极活泼气体，在高分子材料表面受到太阳光照射后极易发生氧化反应，像我们平时看到的铜绿，所谓的铜绿就是铜在光的照射下发生氧化反应而形成表面的一层保护介质。这样的现象还有很多，并且为无法避免不可逆的，然而高分子材料和我们息息相关，在日常的加工、运输、使用过程中都不可避免的接触氧，所以氧也是导致高分子材料老化的主要因素。

3.外部作用——机械力对高分子材料的影响

高分子材料在使用过程中不可避免的接触外部因素作用，外部作用在一定程度下导致了高分子材料的老化进程。例如汽车轮胎，它属于高分子材料橡胶，橡胶的突出特点是分子链柔性好，在外部车轮和车承载力的作用下，易发生较大程度的变形，由于它特殊的分子原理可迅速恢复，如果长时间施加机械力，橡胶内的分子链受到破坏发生变形导致龟裂，加速了高分子材料的老化过程。

4.水和电对高分子材料的影响

由于高分子材料的分子内部结构特殊，含有一种亲和水性很好的物质，在高分子材料遇到水后易破坏分子结构而易被水解；高分子内部的组织键对电的反应更加敏感，一旦接通电源，分子就形成了大量不规则运动而剧烈反应，有效的破坏了分子弱键，导致高分子材料失效电解游离。

二、高分子材料老化的具体表现

高分子材料老化顾名思义就是通过外部作用破坏了高分子内部结构，分子量变小，生成新的物质或发生降解的过程。一般分为物理老化和化学老化，物理老化可逆转比较好恢复，例如，一些高分子材料在外部压力作用下产生变形，但去除外力后即可恢复原状。还有一些高分子材料受潮后绝缘性降低，表现为失效，但干燥后即可利用。化学老化就较复杂了，它是高分子内部键和键之间发生的不可逆现象，较能控制和恢复。老化后的材料强度降低、韧性、稳定性、耐热性及颜色等各方面都出现不同程度的破坏和降低，影响其正常使用功能。高分子材料老化外观主要表现为颜色变淡，出现斑点、龟裂、粉化等现象；内部老化则表现为水解、电解、冲击强度、抗拉强度等减低，从而达到高分子材料的疲劳极限，丧失其使用价值。

三、缓解老化的具体措施

现阶段，研究高分子材料老化和抗老化问题是一个实际关键性问题，由于高分子材料内部结构比较复杂，反应条件成熟，反应机理无法避免，所以对高分子研究领域内还无法真正杜绝其老化现象，只能对老化做辅的延缓作用，从而增加高分子材料的使用寿命。

1.物理防护措施

物理防护就是应用外部因素影响高分子的作用，它可以完全控制一般的物理老化，对实质性的化学老化起到一定的延缓作用。例如，常年暴晒和雨淋的大棚塑料薄膜，经日照后分子受热发生氧化，促使透明度降低，薄膜脆化，如何延长塑料薄膜的使用寿命，增大农民的经济效益，人们利用在薄膜上覆盖草栅，降低塑料薄膜和日光接触时间，从而达到了延长塑料寿命的目的。其次，在高分子材料中加一种延缓剂、防老剂来增加抗老化机理。例如，机械设备一般都是用机械材料（铁、铜、钢等）通过键槽连接组成的一个具有规范运动的主体，但因长期暴露在空气中，设备表面经常看到锈迹斑斑，影响了设备的美观，人们就针对此现象发明了油漆，油漆涂在设备表面有效阻止了设备与空气接触的面积，起到了使之无法氧化的目的。像运用物理方法保护高分子材料老化的现象还有很多，它成本低实施简单，现已被人们广泛利用。

2.改变高分子本身易老化的特点

引起高分子材料老化的最主要原因是其本身的弱键或不饱和双键，由于分子内部存在弱键、不饱和键使得高分子材料特别不稳定，易于和空气中的氢键氧键发生反应生成新的物质，如改变其不稳定键使之成为饱和键，那它抗老化性就大大增加。例如橡胶中的碳-碳键极易与空气发生臭氧老化和光氧老化。针对这一现象，在橡胶中加入氯原子键，氯原子键有很好的吸附电子基功能，从而提高了橡胶的抗老化性。举一反三，像这种在高分子材料中加入键基减少支链使其稳定，也是我们提高抗老化的有力措施。

四、结束语

随着现代科技的进步和经济领域的复苏，高分子材料的应用越来越广泛，对高分子材料的研究备受关注，对有效的降低高分子材料的老化性，合理的提高使用寿命是我们面临的首要任务，虽然我们在不同领域取得了一些成绩，但面对复杂浩瀚的高分子老化技术方面我们还需要再接再厉，同时也是对我们科技领域的巨大挑战，我们对探究高分子领域的研究追求永无止境。

参考文献

[1]史继城.高分子材料的老化及防老化研究[J].合成材料老化与应用，2006.

[2]李倩，强洪夫.高分子材料老化表征与分子模拟研究进展 [J].高分子材料科学与工程，2010.

高分子材料的影响范文第2篇

【关键词】7075合金；热处理制度；电导率

进入21世纪以来，我国的航空工业进入了一个飞速发展的时期，对其航天器材中所应用到的合金综合性能，有了越来越高的要求，并且，合金材料单纯的强度和硬度指标并不能完全反应出合金材料自身的综合性能，而合金的电导率这一项性能指标已经受到了工业各界的重视。合金材料自身的电导率越高，那么就说明合金材料的导电性能越好，而这项指标的高低主要与合金材料中的成分和材料内部组织结构有着极大的关联。当合金材料成分基本相同时，那么其导电性能的高低就完全取决于合金材料自身的组织结构，但合金材料的内部组织又是受到时效制度的影响。为此，本篇文章对7075合金板材的电导率与时效制度这两者之间的关系进行了试验研究。

1.试验用料

本文所进行的试验所采用的是7075合金的合格扁铸锭，通过均匀化的退火、锯切、铣面、加热，热轧、冷轧之后，使得扁铸锭形成了厚度为25mm的厚度，再通过冷轧的方式轧成2mm的薄板，对两种不同厚度的合金板切取试验用的试样。

2.试验方案

2.1退火制度对7075合金板材电导率的影响

在对2mm合金板材进行退火的过程中，需要分别在300℃、350℃、400℃、450℃之下进行退火工序，并且要将合金板材保温至少1个小时，之后在对材料使用随炉冷却、石棉布布包冷、空气冷却这三种冷却方法对其进行冷却，以此来确定退火制度对于7075合金板材的电导率所产生的影响。

2.2固溶处理温度对7075合金板材电导率的影响

使用2毫米的合金板材，将其分别在450℃、460℃、470℃、480℃这四种固溶温度中，保温至少20分钟，在水中进行冷却淬火，以此来确定固溶处理方式的温度对于合金板材的电导率所产生的影响大小。

2.3淬火与时效间隔时间对7075合金板材电导率的影响

使用2mm的合金板材，对其进行470℃的加热，加热至少20分钟，在水中进行冷却淬火，之后在将合金板材分别停放2小时，8小时，l6小时，24小时，32小时，48小时，96小时，再将其放置在120℃的环境之下进行24小时的时效处理，最后再测量合金板材的电导率所发的变化。

2.4淬火到预拉伸间隔时间对7075合金板材电导率的影响

在合金材料实际生产的过程中，厚板合金进行淬火之后，有时并不能立即就对其进行预拉伸工序，必须要在合金板材停放一段时间之后，才能够再对合金材料进行预拉伸，只有经过这个工序拉伸之后的合金板材才能够拥有较为良好的综合性能，这项指标是一个极为重要的工艺参数。因此，使用25mm厚的合金板材在进行淬火工序之后，需要停放l小时，2小时，3小时，4小时，5小时之后在对合金板材进行预拉伸工序，以此来确定停放时间对于电导率所产生的影响。

2.5时效制度对7075合金板材电导率的影响

分别对2mm合金板材在T6、T76以及T73状态之下与25mm合金板材在T6、T76、T73、T7351的状态之下的各自所拥有的力学性能和电导率，以此来确定不同制度的合金的对于电导率的影响。

3.试验结果与分析

3.1退火制度对7075合金板材电导率的影响

通过对合金板材使用不同的退火温度以及不同的冷却方式来处理之后的试验样品的试验数据我们可以知道：7075合金板材自身的电导率是随着退火温度不断提高而逐渐降低的。这主要是由于退火温度在不断升高之后，慢慢转变成为了结晶的温度，金属由目前的回复过程中转入到了加工再结晶的阶段，并且合金中的第二相溶解不断增加，过于饱和的固溶液浓度不断的增加，使得机体内部的晶格发生歪曲的畸变区域增大，而导电电子自身的平均自由程度不断变小，就必然会导致电导率的下降。合金板材在进行退火工序之后，不同的冷却方式对于合金板材自身的电导率有着极大的影响，合金板材冷却的速度越快，那么合金材料的强度越高，而电导率就越低。退火冷却的速度越高，合金中过于饱和的固溶液就无法得到充分的分解，强度升高而塑性降低。冷却速度缓慢，溶人合金的溶质原子大部分形成了稳定的化合物.此时基体晶格点阵排列已恢复比较规则。冷却速度越快，回复越不好，导电电子的自由程越小，因而电导率也就越低。

3.2固溶处理制度对7075合金板材电导率的影响

随着固溶处理温度升高，电导率呈下降趋势。合金固溶处理后，得到溶质原子和空位的双重过饱和固溶体，使基体晶格产生了较严重的歪扭畸变，基体点阵电子散射源的数量和密度增加，导电电子的平均自由程减少，随着固溶温度升高，过饱合固溶体的浓度升高，晶格歪扭畸变越大，从而电导率降低。

3.3淬火与时效间隔时间对7075合金板材电导率的影响

淬火与时效间隔时间对7075合金板材电导率影响随着时效间隔的变化，电导率变化不大。因为7075合金淬火后的自然时效过程非常缓慢，大约需要几个月的时间，96h以内的自然时效不会对内部组织有很大影响，因而电导率无明显变化。

3.4淬火到预拉伸间隔时间对7075合金板材电导率的影响

电导率在淬火后随着停放时间延长，预拉伸后电导率先是由高到低，3h时最低，而后又逐渐升高。这是由于淬火后得到溶质原子和空位的双重过饱和固溶体，而这些在固溶化温度生成的大量位错被冻结到基体后，仍有较高的活动能力。因此过饱和固溶体中的溶质原子，在空位的帮助下，也会有明显的活动能力。随着停放时间延长，原子分布将会发生明显变化，而后进行预拉伸，又增加了空位和位错浓度，使基体晶格产生了畸变，电导率下降。停放3h后电导率又逐渐升高，是由于7075合金中含有w（Cr）0.18% ～0 28%，铬原子和空位亲合力大，优先形成空位一原子集团，从而降低了空位浓度，晶格畸变区减少，因此电导率又呈上升趋势。

3.5时效制度对7075合金板材电导率的影响

无论是薄板还是厚板，其电导率的变化规律基本一致，单级时效的电导率较低，双级时效的电导率较高。这是由于T6状态的组织中，晶内有非常密集细小的沉淀相，大部分都是GP区，晶界上析出相也很小，几乎看不出有PFZ存在，晶内仍然有淬火后残留的位错线，合金中的位错状态没有明显的改变，基本保留了淬火后的位错组态。GP区没有独立的晶体结构，完全保持母相的晶格，与母相之间没有原子不规则排列的相界面，仍以一定的晶面与母相保持完全的共格性。

4.结术语

根据以上的试验结果与分析，7075合金板材的时效制度与电导率之间存在着一定的对应关系。退火处理采用缓慢冷却方式，其电导率值最高；固溶状态的电导率值最低；人工时效状态时，单级时效的电导率值较低，双级时效的电导率值较高。

【参考文献】

[1]张世兴，吴海宏，邓鹏辉，陆瑛.热处理制度对7075铝合金显微组织和性能的影响[J].热加工工艺，2008（22）.

高分子材料的影响范文第3篇

CRT显示器利用荧光的余辉实现光的短暂停留，其余晖残留时间极短，相应响应时间仅为1～3ms。液晶显示器（LCD）无“记忆能力”，利用液晶分子扭转控制光的通断，而驱动液晶分子扭转所需的时间基本都长于CRT的响应时间。其中薄膜晶体管液晶显示器件（TFT LCD）是目前平板显示中的主要器件与主导产品，应用于各个领域。随着技术的发展，对显示器件的性能要求也日益提高，要求高速度，高对比度，广色域，低功耗等等，其中快速响应时间也是液晶显示的一项技术挑战与关注焦点，因为响应时间过长会在高分辨率的画面中产生运动图像拖尾的现象，无法保证画面的流畅。响应速度也称反应时间，是液晶电视各像素点对输入信号反应的速度，即像素由暗转亮或由亮转暗所需要的时间。一般将反应时间分为两个部分：上升时间（Rise time）和下降时间（Fall time），而表示时以两者之和为准。1986年，NEC制造了世界上第一款有液晶屏幕的便携式计算机，2002年前TFT-LCD的响应时间为25ms，2004年达到8ms，2005年降低至4ms甚至2ms。到2005年末液晶显示器的市场占有率首次与CRT持平，标志着液晶显示器走向成熟。

二、影响响应时间因素

LCD响应时间较长的问题是多种因素造成的：

其中是液晶的粘滞系数；是液晶的介电常数；是液晶的分子阈值电压；是液晶的单元盒间隙（cell gap）；为gamma电压。

为了提高LCD的响应速度，可从三方面考虑：优化LCD盒内材料及工艺参数设计并增大液晶层电压；提高驱动电压；优化液晶及工艺参数的选取和匹配。

本文着重于第三方面，即快速液晶材料的选取。

三、快速液晶材料

材料的粘滞系数对其运动特性也有很大影响。虽然目前使用的液晶材料为分子量相对较低、粘滞系数相对较小的向列相（Nematic）液晶。实际投入应用的向列相液晶，分子长2～3纳米，直径约0.5纳米，粘滞系数只有水的数倍，响应时间在ms数量级。取向场动力学主要受液晶材料三个因素的影响：与平衡指向场形变相关的弹性能、材料粘度和介电性能。这些材料的因素主要受所用材料的液晶相态的影响。[2]因此从下三个方面考虑：

（1）选择分子量较小的液晶体可缩短响应时间

影响响应时间的材料方面的主要的原因是：液晶材料为分子级的材料，粘滞系数较高。按照公式F=ma，同样的力作用于不同质量的物体上，质量大的加速度小，质量小的加速度大。换言之，质量越大，物体的状态越不易改变。

（2）粘稠度

液晶的粘稠度是关系LCD响应时间和色彩饱和度的重要方面高液晶粘稠度可以使显示的图像更艳丽视角更大。但是响应时间会相应拉长.因此在保证画质的前提下适当提高液晶材料的粘稠度可以提高液晶像素的响应速度。

粘滞系数越小，弹性系数越大， 响应速度越快。液晶显示器都含取向层，取向层对液晶分子有锚定作用。通过减小锚定作用和优化液晶材料混合配比可提高响应速度。

（3）液晶材料各项异性Δn

为了满足大气自适应光学的要求，我们需要快速响应液晶，而较低的粘度和较高Δn（液晶材料各项异性Δn=ne-no）的液晶材料可以提高向列相液晶的响应速度。

可以通过减小分子的长度和宽度、利用含氟原子作为取代基、应用苯环和减弱刚性的方式使液晶分子的粘度降低。可以通过增加苯环的数目、选用三键作为中桥键和用“一NCS”作为取代基来增大液晶分子的Δn。

引入极性基，增大分子的自发偶极矩。最终使分子具有介电各向异性、介磁各向异性。液晶的分子结构影响着液晶的宏观特性。当分子中引入极性基时，不同种类的极性基以及相同的极性基在分子的不同取代位置，都会对液晶的粘度和Δn产生影响，从而导致液晶材料的响应速度具有较大差别。而除了极性基对液晶的粘度和Δn有所影响外，中心基团和柔性侧链对快速响应液晶材料的粘度和Δn的影响也是不能忽视的。[4]因此究极性取代基、取代基位置、中心基团和柔性侧链对粘度和Δn有影响。

四、其他途径

（1）首选TN型，只因扭曲角度小

TN（Twisted Nematic，扭曲向列）型液晶盒中两个配向模呈正交（两个面在空间垂直但不相交）分布，液晶分子相应地扭曲了90°。显然，扭曲角度小的TN型LCD响应时间就短，但图像对比度会降低。

目前，STN以及它的变种DSTN、CSTN液晶面板仍应用于手机和PDA这些不太强调图像动态性能的设备。作为电脑显示器，STN已经被被响应速度更快TFT-TN所取代。

（2）采用有源矩阵，消除等待时间

TFT-LCD屏幕由纵横交错的TN型液晶与薄膜晶体管组成，每个TN液晶盒可被独立控制，由于每个液晶盒由一只晶体管控制，每个显示单元分别被点亮，消除了像素之间相互“拖后腿”现象，大大地提高了响应速度。

（3）RTC技术

RTC（Response Time Compensation，响应时间补偿）是NEC提出的旨在缩短LCD响应时间的技术。其基本原理是：利用Overdrive之类的芯片，将来自显卡的视频信号加入过冲电压，然后去驱动液晶单元。

参考文献：

[1]TFTLCD响应时间的影响因素及技术突破_陈玲玲

[2]显示器的快速响应液晶效应_PhilipBos

[3]Maier W， Meier G Z Naturoforsch， 1961

[4]快速响应和高_n特性向列相液晶分子合成_张坤

高分子材料的影响范文第4篇

本文介绍高危从业人员新型STF-防刺服的基本概况，通过对STF流变性能和流变机理的研究，探讨STF在复合材料中的应用和影响STF复合材料防护性能优劣的因素，进一步对高危从业人员新型STF-防护服防护机理进行了研究与探讨。

关键词：防刺服；性能；机理；探讨

我国防刺服的研究和应用前景广阔，当今的防刺服主要有质重、体积大、不灵活等缺点，因此，研制出防护能力和灵活性兼具的防刺服是新时期防刺材料的发展目标和方向。具有剪切增稠行为的非牛顿流体STF，在生产中通常会产生诸如阻碍输送管道、破坏生产设备等这些不利的影响，这是由于其具有不可逆絮凝、粒子团聚等特点引起的。因此，人们一方面为减少负面影响而研究如何降低STF黏度，另一方面也在研究如何利用STF的这种增稠性能化害为利，来为生产服务，如设计阻尼控制设备、用于减震等领域、研究最新的防弹材料或其他防护设备等。本文制备出具有剪切增稠行为的STF，并用其处理传统防护材料UHMWPE及Kevlar纤维织物，以制备出防护性能和灵活性兼备的新型柔性防刺服。

1 剪切增稠液体（STF）

据英国GIZ杂志报道，20世纪90年代中期，美国在“陆军研究实验室”（ARL）Eric Wetzel博士和“特拉华州立大学合成物质研究中心”（UDTC）Norman Wagner教授指导下，运用新型纳米技术成功地研制出了“剪切增稠液体”（Shear Thickening Fluid，简称STF）。

STF是一种新型功能材料，其在正常状态下是略微黏稠的液体，而当受冲击作用时，表观黏度会急剧增加，呈现出固体的抗冲击性能；当冲击力消失之后，又迅速回复到原来的柔性状态。由此可见，这种剪切增稠效应是一种非牛顿流体行为，并且此过程具有可逆性。分散相粒子和分散介质共同组成了STF体系，其中，分散相粒子可以分为两类：一是天然存在的矿物质；二是化学合成的聚合物，如二氧化硅和其他氧化物、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、碳酸钙等，粒子可以是圆盘状、球体、椭圆体和黏土颗粒等形状，以其布朗运动、电荷作用、吸收表面活性剂等稳定分散在介质溶液中，分散方式有单分散、双分散或多分散；而分散介质可以是水、有机物（乙醇、乙烯基乙醇或聚乙二醇）、盐溶液（缓冲液或氯化钠溶液等）等单一介质，也可以是多种介质的复配体。

2 STF流变性能和机理分析

对STF的研究目前主要有流变性能、剪切增稠机理、应用研究三个方面。其中，关于前两个方面研究的文献较多，而对于其应用研究才刚刚起步，已报道的主要是在防震及防护领域上的应用：Fischer等人应用STF设计出三明治梁，达到控制振动响应的目的；美国Wagner博士等人制备出STF-Kevlar复合织物，不仅具有优异的防弹性能，同时显著地提高了材料的灵活性。

2.1 STF流变性能概述

一般认为，具有剪切增稠现象的体系通常是固/液分散体系，如：SiO2分散在聚乙二醇、水、聚丙二醇（polypropylene glycol: PPG）以及四氢糠醇（HTFFA）等溶液中；经表面修饰后的聚合物-聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）分散在折射指数相近的有机溶剂中。

STF的流变性能研究主要包括两个方面：稳态和动态。Kalman等研究了PMMA/PEG体系的流变性能，和SiO2/PEG体系一样，该体系会有剪切变稀和剪切增稠现象，但当剪切速率继续增加时，其还会出现一段剪切变稀现象，这可能是因为PMMA粒子比较软，在高剪切速率下软化的表现，该研究表明粒子种类对STF流变性有一定的影响。Wetzel等研究了CaCO3/PEG体系的流变性能，其中CaCO3为不同长径比的椭圆形粒子，研究发现随着长径比的增加STF出现剪切增稠现象时的浓度减小，说明了粒子形状也是影响STF流变性能的因素之一。

分散介质作为STF的另一重要组成部分，如乙二醇（EG）、聚乙二醇（PEG）、丙二醇（PG）、丁二醇（BG）、H2O等是目前STF体系常用的分散介质，其也是影响体系流变性能的重要因素。伍秋美等用应力控制流变仪探讨了以SiO2为分散相粒子，EG、PG、BG为分散介质制得的不同STF体系的流变性能，结果表明各体系都具有可逆的剪切变稀和剪切增稠现象，同时发现随分散介质黏度的增加，体系临界剪切应力减小。伍秋美等还比较了分散介质为甘油（GL）和PEG时STF体系的流变性能，试验发现GL体系的临界剪切应力小于PEG体系。

STF体系出现剪切增稠现象的一个重要条件是分散相粒子体积分数足够大。Kalman等研究了不同体积分数时PMMA/PEG200体系的流变性能，当体系体积分数较低时，增稠现象不明显，随着体积分数的增加，增稠效果越来越显著，临界剪切速率减小，增稠后的最高黏度增大。LEE等研究了不同体积分数时SiO2/PEG200体系的稳态流变性能，同样出现了随着体积分数增加，临界剪切速率减小的规律，且剪切速率较高时，体积分数大的体系黏度增加得更快更大，说明流变性能受分散相粒子含量影响较大。

温度对STF体系的流变性能也存在着一定的影响。J.Lee等研究SiO2/四氢糠醇体系时发现，其临界剪切速率随着温度的升高而增加。伍秋美等探讨了在温度分别为10℃、20℃、30℃、40℃时STF体系的稳态流变性能，研究发现体系的流变曲线随着温度的升高而呈现出整体下移的趋势。

2.2 STF流变机理概述

尽管对于STF体系的剪切增稠行为特点的研究历史已经不短，并一直受到许多学者的重视，但是由于试验手段等各方面的限制，对其了解仍不够深入。近年来，随着各种光学手段以及控制应力流变仪的应用，许多学者提出了一些机理，试图解释在剪切增稠区域所观察到的现象。对于剪切增稠的微观机理，目前主要有两种说法：其一是最先由Whitlock和Metzner提出，并由Hoffman证实的ODT机理（有序到无序），即体系受到较小外力作用时，粒子的有序程度得到了提高，出现剪切变稀行为，而当外力更大时，有序结构被破坏，则会出现剪切增稠现象；其二是Bossis和Brady基于Stokesian动力学模拟而提出的“粒子簇”理论，即剪切变稀是由于连续的空间网络结构被破坏，而剪切增稠是由于体系中形成“粒子簇”，体系黏度增大，从而出现了增稠现象。对于SiO2/PEG体系中剪切变稀和剪切增稠的现象，伍秋美等认为用“粒子簇”机理解释更为合理，即剪切作用较小时，受到破坏的空间网络结构在粒子间作用力下能很快得到恢复，因此黏度基本不变；随着剪切作用的增大，当受到破坏的空间网络结构不能在粒子间作用力下得到修复时，体系黏度开始下降；随着剪切作用的进一步增大，空间网络结构受到越来越大程度的破坏，使得黏度继续减小，当达到某个临界点时，流体作用力成为体系中主要作用力，由此生成了“粒子簇”，随后随着流体作用力的增大，“粒子簇”变大，其对流体的阻碍作用也随之变大，因此流体的黏度增大。

3 STF-柔性防刺服简介

硬质和半硬质防刺服虽然具有优异的防护性能，然而，由于刚性和重量大，对使用者的活动会有较大的限制和影响，而且穿着舒适性差，无法连续长时间使用。传统软质防护材料一般由多层高性能纤维织物（如20~40层的Kevlar）组成，或加入刚硬的陶瓷插片，以适应更高的防刺威胁，但由于传统防刺材料层数较多，相对来说比较坚硬，一般只能保护身体的躯干，而对许多关键部位如脖子、肩关节、膝盖、腿部和肘部等却不能进行防护。液体装甲（Liquid Armour）是利用剪切增稠液体（STF）与高性能纤维织物复合制备而成的软体防护复合材料，其具有质轻、柔韧性好、体积小等优点，利用STF处理的新型防刺材料柔软舒适，可以制造连袖子带裤腿的全套衣服，从而保护身体的任何一个部位。当把STF渗入到织物中时，通常状态下它是液态形式，很柔软，但是，一旦织物受到冲击、压紧时，STF就立刻变成固态，使织物变得坚硬、强韧，很难被穿透。因此，利用STF制造的新型防护服，平时柔软舒适，但当被高速子弹、弹片冲击或刀等利物砍、刺时，就会在受到冲击的瞬间变得坚韧无比，而且能将冲击力沿织物迅速向四周分散开来，使单位面积的压强大大降低，从而对人体的伤害降到最低，而当冲击力消失之后，STF又恢复到液体状态，织物也重新变软，便于人体活动。由此可见，STF使织物变得无比强韧的同时可以不改变织物的重量、弹性和舒适度。

STF和高性能纤维织物是构成STF-柔性防刺复合材料的关键成分。人体防护用的STF，对分散相粒子的要求是：性质稳定、无毒、球化率高、纳米级、粒径分布均一集中，且价格相对便宜；分散介质则应当具备无毒、稳定、不易变质、适应温度范围宽、黏度不能太大、有一定的悬浮能力等特点。SiO2/PEG200体系能很好地满足上述要求，而Kevlar、UHMWPE、Nylon、PBO等纤维织物可作为STF体系的载体。

4 STF在防护服中的应用研究与探讨

4.1 影响STF-防护复合材料性能的因素

STF-防护材料防护性能的优劣受到很多因素的影响，主要有纤维织物、STF分散体系、复合工艺及复合结构等，目前针对前两种影响因素研究较多，而对于后两方面的影响因素则较少报道，还需进一步探讨。

(1) 纤维织物的影响因素

组成STF-防护复合材料的一大主要成分――纤维织物，其性能和结构对复合材料的整体性能有着重要影响。Egres Jr等研究了STF分别与Nylon、Kevlar复合后材料的防刺性能，其中Nylon具有LD（低面密度高旦尼尔）、MD（中面密度中旦尼尔）和HD（高面密度低旦尼尔）三种结构。STF-Nylon防刺性能研究表明随着纤维织物旦尼尔值的增加，试样的防锥性能得到了提高，而对防刀性能影响并不大。对这种现象的解释有两个方面，其中最重要的是随着纱线特克斯值的减小，纱线越细，则纱线根数越多，从而纤维束之间的移动越困难；另外是因为高旦尼尔值的织物纱线更细，则织物面密度更低，从而相同面密度时的靶材所具有的层数就更多（如HD-Nylon靶材只有6层，而LD-Nylon可达到13层），而层数越多，层间间隙就越大，进而提高了靶材的抗冲击性能。

另外，研究发现STF-Nylon织物在准静态防刺测试时对纱数和STF含量的依赖性不大，且试样受冲击后破坏的现象也不如STF-Kevlar织物明显。这是因为，对比Kevlar与Nylon纤维的性能，可知Nylon更容易伸长和收缩，因此在准静态防刺试验时，由于较低的加载速率和Nylon大的伸长率，使得STF-Nylon织物较易伸长而不是被刺入和割断，且Nylon织物的韧性低于Kevlar织物，因此其不会像STF-Kevlar织物那样有很多纱线被抽，而主要是纱线断裂。

上述研究表明，与STF复合的纤维织物并不仅仅局限于Kevlar一种，从而提供了STF处理其他高性能纤维的机会，例如PBO或者UHMWPE，高实用性和较低价格的Nylon织物则能在运动物品和汽车装甲中得到应用。

(2) STF分散体系的影响因素

Wagner博士于2002年首先制备出STF-Kevlar液体防护复合材料，其所用STF是SiO2/PEG200分散体系，研究以纯Kevlar织物性能作为对比基体，分析了STF体积与复合结构对材料性能的影响。结果表明，随着复合试样中STF质量分数的增加，靶材吸收的能量随之增加，另外，当用与4层Kevlar纤维织物相同质量的STF对其完全浸渍复合后，制备的复合材料防护性能最好；如果加入相同质量的干SiO2粉末，其对靶材能量吸收的影响不如STF明显，若仅加入PEG200能量吸收反而下降，这意味着STF中的SiO2或者PEG200单独使用时起不到增加吸能的作用，而STF可以。面密度相同时，4层STF-Kevlar复合材料与14层纯Kevlar试样的能量吸收性能相同。

Lee等人参照美国防弹标准NIJ standard―0101.04对经STF浸渍后的Kevlar织物防弹性能进行了研究，其中，STF体系为SiO2/PEG200，SiO2粒径为450nm，STF体系中SiO2的体积分数为57%，测试弹速为244m/s。结果表明，随着STF-Kevlar复合材料中STF体积的增加，其能量吸收也增加；面密度相同时，纯Kevlar织物和STF-Kevlar复合材料防弹性能相同，但后者层数更少，因此厚度更小，具有更好的灵活性。

Wetzel等第一次将STF流变特性的试验和纤维织物防弹冲击试验结合起来，研究了不同STF体系对STF-Kevlar复合材料防弹性能的影响，其所用STF体系为CaCO3/PEG200，SiO2/PEG200，其中，长径比分别为2:1、4:1、7:1的CaCO3是椭圆形粒子，而SiO2是球形粒子。研究结果表明，粒子体积分数大小对STF-Kevlar复合材料的防弹性能有着重要影响：在粒子体积分数较低时，STF对Kevlar的复合处理并不能提高其防弹性能，甚至不如纯Kevlar织物，只有达到一定的较高体积分数，复合材料的防弹优异性能才能体现出来，另CaCO3粒子不同的长径比并不会过多影响复合材料的能量吸收性能。

Kalman等分析了不同分散相粒子的STF体系对织物防护性能的影响，结果表明无论分散相粒子是PMMA还是SiO2，两种复合材料均有良好的防锥性能，复合试样的防锥性能并没有因为分散相粒子的改变而发生改变；扫描电镜观察复合材料受冲击后的破坏区域发现，PMMA粒子对织物几乎没有破坏作用，而SiO2对纤维束有一定的破坏作用；防弹测试表明，这两种分散相粒子的复合试样防弹性能有所不同，SiO2的复合试样更好。产生这种差异的原因是：STF的流变性能对材料的防弹性能影响很大，SiO2/PEG体系增稠程度好于PMMA/PEG体系，而且流变测试显示，在较高的剪切速率下，PMMA/PEG体系还存在一段剪切变稀区；也可能是因为SiO2粒子比PMMA坚硬，能够侵入Kevlar纤维束内部，从而使得STF与纤维及纤维之间的相互作用得到了加强。

4.2 STF-防护服防护机理概述

高分子材料的影响范文第5篇

纳米材料与器件近年来发展迅速。一方面，材料性能日益多功能化，集成力、电、磁、热、光等多场复合效应；另一方面，材料的微观结构也变得复杂而富有层次，对其宏观性能产生深刻影响。例如，在热电材料中，界面、缺陷和量子局域效应被广泛用于提升热电优值；在钙钛矿太阳能电池中，极性电畴壁被认为给电子和空穴提供分离的高速输运通道；而在高密度磁阻存储器件中，纳米结构对磁电耦合和输运至关重要。从诸多热点领域所选取的这三个典型实例表明，发展多场复合效应的新型功能材料与器件是当今纳米科技的重要趋势，而显著的尺寸、界面和量子效应也给材料与器件的宏观性能带来深刻影响，需要在纳米尺度综合调控和定量测量。

当前，对材料微观结构的表征和宏观性能的测量已较为成熟：在显微结构上，能在原子尺度精确确定材料物相和成分；在宏观性能上，表征电、光、磁、力、热响应及其耦合也加深了人们对多场物性的理解。这些成熟的单项技术表明，在单分子及纳米层面调控并测量材料电、光、磁、力、热及其耦合响应时机已经到来，也是推动先进功能材料与器件发展的大势所趋。然而由于表征技术的限制，人们对纳米尺度多场物性的关注还不多，相关调控和测量仍处于襁褓之中。

为揭示光电、热电、磁电材料和器件的微观结构、局域响应和宏观性能的关联，分析铁电极化对光电转换的调控，界面和缺陷对热电输运的影响以及微纳结构和磁电耦合的相互作用，中国科学院深圳先进技术研究院牵头，联合华南师范大学、清华大学以及南京大学，共同承担了国家重点研发计划“纳米科技”重点专项 - 纳米尺度多场物性与输运性质测量及调控。该项目旨在发展基于多功能扫描探针的纳米测量与调控技术，在纳米尺度综合定量测量调控材料电学、光学、磁学、力学和热学多场物理及输运性质，为研究先进功能材料与器件中的关键科学问题提供强有力工具。

项目的主要研究内容分为以下四个方面：（1）发展纳米尺度多场激励调控与测量技术：通过微纳加工研发制备多功能扫描探针，结合原子力显微镜环境下宏观复合加载系统，以及宏观微观协同的跨尺度测试分析和模拟，实现纳米尺度多场物理及输运性质的综合测量与调控，为深入研究光电转换、热电输运、以及磁电耦合性能提供强有力的工具和方法。（2）研究极化调控光电转换：制备一系列材料与器件，在单分子层面，运用扫描探针定量测量极性分子在多场激励下的光电子激发、复合及输运，揭示电极化调控有机无机钙钛矿光电转换及光控开关的微观机理和失效过程，阐明微纳结构、极性和缺陷对新型太阳能电池性能的影响和调控，进而提出光电器件设计调控新方法。（3）研究纳米尺度热电输运：在微纳尺度，运用扫描探针定量测量热电材料在跨尺度多场载荷下的局域响应，揭示界面、缺陷和复合结构对热电输运的影响及其失效过程，探索磁场光场对自旋塞贝克效应的调制以及声子、光子和载流子的相互作用，阐明微纳结构和缺陷对高性能热电材料输运性质的影响，进而提出热电材料设计调控新方法。（4）多场调控磁电器件：针对磁、电、光、热、力对多铁性磁电序参量的调控及电输运的影响，运用扫描探针定量测量磁电介质在跨尺度复合载荷下的局域响应，研究单分子磁体各向异性和弛豫，揭示磁电有序及演化与微观结构的关联，特别是受缺陷的影响及其失效机理，进而提出磁电材料设计调控新方法。

项目预期将开发基于多功能扫描探针的纳米测量与调控技术，实现在纳米尺度综合调控、定量测量材料多场物理及输运性质，并以此解决先进功能材料与器件的一系列关键科学问题，进而形成一系列原创、具有自主知识产权的新思想（如宏观微观协同调控测试）、新技术（如多功能扫描探针激励和多场原子力显微样品加载）、新方法（如跨尺度实验测试、数据采集、和计算模拟）和新发现（如光电、热电、磁电多场物性和耦合新机制），推动纳米技术、高速低能耗信息处理与存储、微电子器件、高效清洁能源、以及精密仪器等产业和领域的发展。