随着社会的发展，我们对于智能材料的需求越来越大。剪切增稠液作为智能材料的一种，它所表现出来的功能复合特性在吸能、减振、多功能复合材料等领域均具有巨大的发展潜力。不过，STF到底是什么材料，为什么STF能够表现出如此特别的性能，STF又将会应用在什么领域呢？接下来，我们将详细介绍一下STF这一特殊的智能材料。

       我们在生活中经常会接触到水、石油等液体，它们的粘度在温度、压力等外界因素不变的情况下，不会随着剪切速率的变化而变化，我们称它们为牛顿流体。但其实我们身边广泛存在的流体多为非牛顿流体。比如，我们在房子装修过程中会用到的油漆，储存的时候粘度比较高，使用的时候粘度变稀，易于涂抹，这是剪切变稀流体。吃火锅搭配的芝麻酱越搅拌越粘稠，表现出“遇强则强”的特性，这是剪切增稠流体。

图1 在STF上“轻功水上漂”

       剪切增稠（Shear Thickening，ST）现象最初被发现是在粒子悬浮体系中，如泥浆、玉米淀粉液等。对于剪切增稠的学术定义为：体系粘度随着剪切速率或剪切应力的增加展现出2-3个数量级增加的非牛顿流体行为[1]。而剪切增稠液就是具有剪切增稠效应的悬浮体系。如图1所示，其中的液体为STF，在静止状态下是完全可以流动的液体，当人在上面快速跑过时，该体系的粘度增加，甚至会出现液相到固相的转变，使人可以轻松通过，就如同“轻功水上漂”，而当外力消失后又会重新变为液体状态。

2.STF的组成及分类

       一般STF是由分散相、分散介质组成的分散体系。比如生活中的淀粉水溶液，淀粉颗粒充当分散相，而水充当分散介质。对于STF来说，分散相可以是天然的固体颗粒，也可以是人工合成的高分子颗粒和经物理改性的无机颗粒。分散介质一般为低分子量的有机液体和无机液体，比如聚乙二醇、乙二醇、丙三醇、离子液体等。除此之外，研究人员还会加入一些添加剂改进STF的性能，如碳纳米管，酸或碱等。

图2 STF的材料体系构成

       根据分散相颗粒大小尺寸的不同，STF主要可以分为两类。一类为分散相固体颗粒为纳米级别的胶体分散体系，如纳米碳酸钙；另一类为分散相固体颗粒在微米或亚微米级别的粗分散体系，如微米聚甲基丙烯酸甲酯微球。

       STF会表现出三种不同的剪切增稠现象。第一种主要存在于微米级别以下的胶体悬浮液中，随着剪切速率的增加粘度会缓慢上升；第二种主要存在于颗粒粒径微米量级以上的非布朗颗粒浓悬浮液中，粘度随着剪切速率的增加缓慢上升，分散体系有确定的流变行为，这种STF被称为连续性剪切增稠液（CST）；第三种存在于颗粒粒径在微米量级以上的非布朗浓悬浮液或表面具有高分子链的胶体悬浮液中，该体系粘度随着剪切速率的增加非连续上升，称为非连续性剪切增稠液（DST）[2]。

3.STF的冲击防护机理
       剪切增稠液为什么会在剪切力的作用下粘度增加？目前主要有三种理论来解释剪切增稠现象：有序-无序转化理论（Order-Disorder Transition, ODT）、粒子簇理论、润滑-摩擦接触理论（Lubricated to Frictional，LF）。
       1972年，Hoffman提出了ODT理论，他通过监控分散体系随粘度变化的光衍射变化，发现分散体系受剪切作用之前的衍射图为规则的六角星状，发生剪切增稠后规则衍射图消失。ODT理论认为，在较低流体力作用下分散系统中粒子呈现二维有序层状排列结构，在较高的剪切速率下流体力发生改变，导致分散体系的不稳定，有序层状排列结构被破坏，形成无序结构，即为STF的剪切增稠过程[3]。但是近年来学者研究发现，ODT可以引起剪切增稠，不过不是所有的剪切增稠都伴随着ODT的发生。

图3 衍射图（a）临界剪切速率以下剪切样品（b）

临界剪切速率以上剪切样品[3]

       继ODT理论之后，Brady等人采用数学模拟研究高浓度分散体系在剪切作用下的流变行为，第一次提出粒子簇理论[4]。粒子簇理论认为：在较低的剪切速率下，由于粒子间静电排斥作用和布朗运动颗粒间相互分离，剪切速率增大时分散体系内部颗粒相互靠近，从而发生团聚，最后形成粒子簇，引起剪切增稠[5]。粒子簇理论比较适用于连续性增稠体系的理论解释。

图4 分散体系剪切增稠的离子簇机理[4]

       对于非连续性剪切增稠体系，比如淀粉-水分散体系，可以用LF理论来解释。如图5所示，在较低的剪切速率下，颗粒之间的排斥力阻止粒子之间相互靠近，随着剪切速率的增加，流体润滑力大于排斥力，使得粒子之间相互靠近，在高剪切速率下粒子之间发生接触并相互摩擦，在一定的空间内引起流体堵塞，此时分散体系中摩擦接触占据主导，引起非连续性剪切增稠[6]。

图5 低浓度和高浓度摩擦颗粒悬浮液的摩擦团簇的
微观结构[6]

4.STF的工程化应用

图6 STF的工程化应用领域

       在防护设备的研发过程中，人们一直致力于研制出既具有抗穿透、抗冲击性能又具有柔适性和轻量化特性的防护装备，其中STF作为新兴的防护材料已逐渐成为热门的研究方向[7]。英国BEA公司在很早就提出了“液体防弹衣”这一新型防护装备，它的关键技术便在于STF。Wagner等人[8]开发的液体盔甲是通过高性能特种Kevlar织物浸渍高浓度亚微米二氧化硅与低分子量聚乙二醇悬浮液得到。结果表明，浸渍STF的Kevlar织物的子弹贯穿深度明显降低，并且织物的柔软度也有所增加。而STF不仅仅只适用于防弹衣等高端防护装备，在运动防护方面同样有望实现对人体手臂、腿部等部位进行全方位的防护。
       振动在生活中及自然界都是十分常见的现象，但是对于设备和工程结构来说减振器件至关重要。STF对于剪切应变比较敏感，并且在剪切增稠过程中具有能量耗散和刚度变化的特性，因而适用于振动控制领域。较多研究者[9]在阻尼器方面的实验表明，STF阻尼器通过改变加载频率、加载幅度和液隙，可以实现可控的输出阻尼力，在消能和减振等领域具有良好的应用前景。

5.高透光学型STF
       归因于优异的柔韧性、抗冲击性与应变率敏感性（瞬态模量提升），STF在AMOLED柔性显示模组的冲击防护方面展现出广阔的应用前景，并且能够对各类AMOLED柔性显示模组材料形成显著的强化赋能效应。然而，在光学性能要求极高的AMOLED柔性显示模组光学材料中，通常以乳白色等形式存在的STF难以实现较好的光学性能，并且对AMOLED柔性显示模组材料的赋能也会对其光学性能产生负面效应。因此，业界亟需开发一种面向AMOLED柔性显示模组应用的高透光学型STG剪切增稠材料。
       在此背景下，基于二氧化硅-聚乙二醇的STF剪切增稠液的配方改性与工艺优化设计，中科力信成功开发出高透光学型STF剪切增稠液，将STF剪切增稠材料的研究和应用推向了全新的高度。高透光学型STF剪切增稠液的雾度值低于1%，透光率高于92%。同时，通过STF的剪切流变力学性能测试发现：STF的粘度随着剪切速率的增大，首先呈现出剪切稀化行为，随后呈现出明显的剪切增稠现象，这与各类典型STF的流变力学特性响应规律相吻合。

       鉴于STF优异的光学性能，中科力信利用STF实现对AMOLED柔性显示模组用SGA高粘硅凝胶材料的赋能注入，开发得到高透抗冲型STF-SGA复合材料，雾度值满足低于1%的应用指标，透光率满足高于92%的应用指标，并基于落球冲击实验测试平台获得SGA与STF-SGA背部的冲击力-时间响应，如图8所示。相对于SGA的硅凝胶基材，STF-SGA硅橡胶的冲击力不仅呈现出更长的持续时间，而且具备更低的峰值（降低18%），表明STF-SGA复合胶具有更出色的缓冲吸能与冲击防护能力。

       基于上述分析可知，中科力信高透光学型STF剪切增稠材料的研发成功，对于AMOLED柔性显示等多个领域将产生深远影响，有助于中科力信以科技创新推动产业创新，培育全行业场景下柔性显示方向的新业务、新技术，深度融合智能新材料场景，搭建技术创新与产业化落地的应用桥梁，不断开辟新领域、新赛道，抢占未来战略制高点，以原创性、颠覆性技术突破引领新质生产力发展。

图8 SGA硅橡胶与STF-SGA复合硅凝胶背部的

冲击力响应

参考文献