科学讲座3（2022）100028密相悬浮液中的剪切增稠：主曲线和阿比南德拉·辛格美国芝加哥大学詹姆斯·弗兰克研究所和普利兹克分子工程学院，IL 60637A R T I C L E I N F O A B S T R A C T保留字：高密度悬浮液浆体约束粗糙颗粒滚动摩擦不连续剪切增稠剪切堵塞稠密悬浮液中剪切增稠的机制与应力控制的从非约束润滑（“无摩擦”）到约束非润滑（“摩擦”）流变学的转变有关。然而，目前还不清楚这些限制是如何受到颗粒表面化学的影响。 我们表明，模拟结合合理的值的滑动摩擦与少量的滚动摩擦，可以崩溃的实验数据，涵盖数量级的颗粒大小和不同的颗粒-微流体化学性质简单地通过缩放剪切增稠的起始应力。尽管如此，也有一些值得注意的例外，即颗粒之间增强的氢键以类似于粘性或粗糙颗粒的方式降低了堵塞体积分数，这只能使用更高的滚动和/或滑动摩擦系数来建模。因此，这些观察结果将颗粒表面的应力激活氢键形成与滚动和滑动约束以及宏观剪切增稠行为联系起来。本文的视频可以在j.sctalk.2022.100028上找到。https://doi.org/10.1016/图和表图1.一、稠密悬浮液流变学：代表性流变学曲线，显示随着体积分数的增加，不连续剪切增稠（DST）的演变。所呈现的数据是对于悬浮在85%甘油和15%水的溶液中的玉米淀粉颗粒，对于质量分数λm的几个值。（a）剪应力σ再次绘制剪切速率γ：，其中剪切增厚由应力范围σmin<<σmax中斜率大于1来定义。低渗透率下的连续剪切增稠（CST）曲线为单调的S型曲线，当渗透率为0.56时，不连续剪切增稠（DST）曲线为后弯的S型曲线没有稳定对于m>c，有一个公式。（b）相同的数据绘制为粘度η对剪切应力σ。当绘制成η（σ）时，斜率大于零表示剪切增稠，slop e ≥1个C，将其映射到D ST，因为它具有在σγ中进行比较的特征：（le ft）。 Fi gr e basedB ronn d J ae ger[1]。ð Þ通讯作者。电子邮件地址：abhinendra@uchicago.edu。h tt p：//dx. 多岛或g/10。1016/j。我的天啊。20 22. 1 0 0 02 8接收日期：2022年4月18日;接收日期：2022年5月9日;接受日期：2022年5月10日27 7 2-56 93/©2022TheA ut h or r. 由E lsevier L td提供。 这是一个操作过程，它依赖于C CBY指令（h tt p：//cre ati ve comons. 或g/li ce nss/by/4. 0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表科学讲座杂志首页：www.elsevier.es/sctalkA. 辛格科学讲座3（2022）1000282JJ图二、在稠密悬浮液中引入约束和干扰概念：（A）（i）硬球（两个粒子不能占据相同的空间），{μs，μr}={0，0};（ii）有限滑动摩擦力{∞，0}（两个粒子不能占据相同的空间，不能在接触中滑过彼此）;（B）相对粘度η η与体积分数η。rη0符号是带有约束条件的模拟数据：（i）黑色菱形;（ii）蓝色圆圈，其线条符合ηr=（1 − π/πJ）−2。垂直虚线表示Δ0，0 = 0.65（蓝线）和Δ∞，0= 0.56（黑线）。图改编自参考文献。[2图3.第三章。发展稠密悬浮体的本构模型：（A）在稠密悬浮体中观察到的典型的雷诺曲线。（B）粘度的两个分支：下（润滑，无约束，摩擦系数{μs，μr}={0，0}）和上（摩擦约束，{μs，μr}={1，0}）。（C）摩擦接触的分数f（σ）作为σ的函数，对于几个体积分数ε。低体积分数对应于CST，而CST= 0.56导致DST。这表明应力和摩擦接触分数之间存在一一对应的关系。数字改编自参考文献。[3，4]。图四、本构模型和模拟结果之间的比较：在摩擦系数{μs，μr}={1，0}（符号）时，几个摩擦系数值的稳态曲线与模型（实线）一致。在体积分数为0.56~ 0.58时观察到连续剪切增稠，在体积分数为0.56 ~ 0.58时观察到不连续剪切增稠<<< 对于体积分数> <0.58，悬浮液剪切增稠至有限粘度（尽管高）的悬浮状态，然而对于体积分数>0.585，系统在高应力下剪切堵塞。图改编自Ref. [4]的文件。A. 辛格科学讲座3（2022）10002830F IG。五、修正后的随机误差：与模型（实线）相比，随机误差系数{μ s，μ r } = {1，0}（符号）的各个值的随机误差误差-N2=γ：ηp ltag a i np l t a g a i n plt a p l t a p l ta s s σ / σ0。图改编自Ref.[4]的文件。图六、 显示剪切增稠和剪切堵塞之间关系的流动状态图：摩擦系数{μs，μr}={1，0}的摩擦球经历润滑-摩擦转换的流动状态图。该蓝色的线性表示的是一个独立的线性矩阵J（σ），而该独立的线性表示限制了DST线性表示γ：点的轨迹，其中，黑色点划线表示摩擦和无摩擦堵塞体积分数。符号表示悬架的不同状态速率无关（蓝色圆圈）、连续剪切增稠（红色十字）、两个相邻状态之间的DST（红色菱形）、DST-SJ（绿色菱形）和剪切堵塞状态（黑色正方形）。有三种特殊的体积分数：0.000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000J J就不可能有什么新的进展。图改编自Ref.[4]的文件。A. 辛格科学讲座3（2022）1000284JR图7.第一次会议。 文献实验数据集：从PMMA（James et al. [8]，D'Haene等人[9]），二氧化硅（Royer等人[1999]），[10]，Egres [11]），乳胶[12]和玻璃[13]颗粒在不同溶剂中。这里的颗粒大小几乎跨越了一个数量级在颗粒-颗粒和颗粒-流体化学和粒度的这种多样性中，存在类似的流变行为。在低应力下存在一个牛顿平台（或弱变薄），在高应力下存在另一个牛顿平台，在这两个平台之间观察到剪切增稠行为对于给定的实验数据集，增厚的起始应力与体积分数无关，并且取决于颗粒尺寸和颗粒-颗粒或颗粒-流体化学。图8.第八条。 考虑应力激活约束的模拟可以定量地再现实验的波动曲线：图中不同实验数据集的应力。 7σ使用设置集对高k值（σ n）进行了计算，因为它的高k值等于σn的1/4。可以将具有viorηr（σ/σon）的hichk ningg的值合并到volum的familie中分数依赖曲线不同的符号表示图1中的数据集7，而实线是滑动摩擦系数和滚动摩擦系数的组合的模拟结果。58 5. Figureapt ed fromromRef. [第1至4页]A. 辛格科学讲座3（2022）1000285JRF IG。9.第九条。在约束条件下的引入滚动约束条件包括：当对粒子运动的约束条件的数量增加时，Z等和相关的统计约束条件将减少μ s，μ de。符号是具有不同约束的模拟数据，直线拟合为ηr=（1−/J）−2。的仿真数据硬球约束（黑色菱形，θ0，0=0.65）、无限滑动摩擦（蓝色圆圈，θ∞，0=0.56）以及无限滑动和滚动摩擦（红色方块，θ∞，∞=J J J0.365）。图改编自Ref.[5]的第10段。图10个。 用化学方法增强约束：向羧酸（-CO2 H）涂覆的颗粒中加入尿素可以破坏颗粒间的氢键，并可以降低颗粒之间的滚动约束。EX实验数据来自参考文献[8]用实线示出了0 M和6 M尿素浓度，其中符号是模拟结果。为了缩放实验结果，我们分别对6 M和0 M使用F0=1 nN和F0=0.3 nN图改编自Ref.[5]的第10段。图十一岁用粗糙度增强约束：粒子粗糙度可以修改滑动和滚动约束。EX实验数据来自参考文献[15]对于具有不同粗糙度的λ=0.5（符号），线是{μs，μr}的不同组合的模拟数据图改编自Ref.[14 ]第10段。A. 辛格科学讲座3（2022）1000286i j>i图12个。稠密悬浮液流中的非均匀速度相关性：非均匀速度相关系数∑∑v i·v jδ。. Rij。-r∑∑δ。. RI J。-ri j>i绘制为径向距离r的函数在这个系统中， Symols是一个简单的数据，其中唯一的块逻辑满足oc（r） =αe xp（−r/n）。F IG。 13. 通过随机抽取来实现对具有核的核的最小化：（L e f t）将核密度η r作为核密度σ/σ0的函数，在σ=0时进行抽取。四点五。我们将这种加密算法分为两类，一类是随机加密算法（{ μ s，μr}= { 1，0 }），另一类是随机加密算法（{μs，μr}={1，0 }）。5}）displayDST（ηrσ/σ0，d ashe d l i n e）ath e s ame. （Right）Ve lo cor e lan engh/2an d wthutr olingr rr r in g，作为σ/σ0at in=0的函数。四点五。在滚动摩擦下，增强的剪切增稠行为导致增强的剪切增稠行为。图十四岁干扰相位图：作为三维综合相位图的与滑动μs和滚动μr摩擦系数相关的干扰相位图。虚线显示了μr=0时的μs与μJ的关系实线表示在几个μs值下，μJ对μr的依赖关系。图改编自Ref.[5]的第10段。A. 辛格科学讲座3（2022）1000287联系我们图十五岁颗粒间吸引力对稠密悬浮液流变学的影响：不同磁场强度下铁磁棒悬浮液的粘度-应力曲线。对于零磁场（黑色曲线），观察到连续的剪切增稠 在引入磁场后，观察到强烈的剪切变稀，从而降低了增稠的强度。在中等强度的磁场下，在低应力下观察到屈服应力，随后是更强的剪切变稀，最终导致剪切增稠。对于最强的B，最终，屈服应力掩盖了剪切增稠。图改编自Ref.[16 ]第10段。 对于二氧化硅悬浮液和改变悬浮液中的聚合物浓度也观察到类似的行为[17]。图十六岁模拟中使用的力分布：（左）范德华力F hKA a对于由K参数化的不同强度，（右）总颗粒间力不同12小时2小时2小时相互作用的强度加上一个固定的排斥力F RhK R a exp-κh。改编自Ref。[18、19]。F IG。 十七岁这两种方法可以实现高密度和低密度的压力：对于密度=0的变量，恢复的虚拟成本计算公式为σ/σ0。对于μ=1处的有效时间序列的每个值，该系统是一个简单的方法，它与眼睛周围的一条直线有关。 Dt ed inesshoww rrσ/σ0，si gn if yi ngDST，i. e. 在恒定剪切速率下，粘度变化垂直红线表示屈服应力。这种吸引力导致产生一个中等屈服应力σy。当σ>σy时，悬浮液流动，从无限粘度固体剪切变稀，然后剪切增稠并最终达到平台。增加引力强度导致σy增加，稠化程度降低，并导致剪切稠化的最终模糊改编自Ref。[19 ]第10段。A. 辛格科学讲座3（2022）10002880b0一RF IG。 十八岁修改后的计算公式如下：对于时间=0，56πd=σ/σRA，其中σRA=[F（0）+F（0）]/6πa2，其中FA（0）和FR（0）分别是零表面分离时的吸引力和排斥力的强度。黑色实线是没有任何吸引力的摩擦剪切增稠模型的预测，而蓝色虚线是Hershel-Bulkley方程对剪切稀化和屈服应力部分的拟合。红线表示摩擦增厚和Hershel-Bulkley方程的总和图改编自Ref.[19 ]第10段。图十九岁 粘性摩擦悬浮液的流态图：粘性强度和颗粒摩擦力恒定时，σ -ε平面内的流态图。它显示剪切卡住（绿色）、未屈服（蓝色）、欠（白色）和不可接近（灰色）状态。绿色和蓝色实线分别是应力相关的干扰线和屈服线，γ：而红色虚线是DST线，其是其中Δ σ 1/20的点的轨迹。摩擦卡涩线不受粘聚力的影响，在无摩擦堵塞体积分数之前存在以下情况符号表示材料的不同拉伸状态：蓝色+（剪切变稀）、蓝色圆圈（剪切变稠状态）、红色十字（CST）、红色倒三角形（两个拉伸状态之间的DST）、绿色菱形（拉伸到堵塞状态之间的图改编自Ref.[19 ]第10段。图20. 未屈服和堵塞状态的区别：显示未屈服和堵塞固体之间区别的相图。内聚摩擦悬挂产生屈服应力σy，并且不能屈服于应力σσy。<对于应力σσsj，悬剪变薄和变薄。<因此，悬浮液具有两个不可分解的状态σσy和σ>σsj。<请注意，对于σσy，固体是标准的，尽管柔软，但如果在没有任何方向偏差的情况下制备，则在所有方向上都能同等地抵抗变形<然而，当σ>σsj时，剪切堵塞状态是脆弱的、各向异性的状态[19与其他认为干扰和屈服相同的建议相比，该相图提供了一个分散的画面[25，26]。A. 辛格科学讲座3（2022）1000289致谢• 我要感谢我的导师Heinrich M Jaeger和Juan de Pablo（芝加哥大学）; Jeffrey F Morris和Morton M Denn（纽约市立大学Levich研究所）; Stefan Luding和Vanessa Magnanimo（荷兰特文特大学），他们的指导对我的思想形成至关重要。这里介绍的工作已经在与罗曼马里，RyoheiSeto，克里斯托弗内斯，Sidhant Pednekar，Jaehun Chun，格雷森L杰克-森和迈克尔范德纳尔德的几次合作中进行。• 我 还 要 感 谢 Stuart Rowan 、 Bulbul Chakraborty 、 Emanuela delGado、Lou Kondic、Aurora Clark、Jacinta Konrad和Sarah Hormozi进行了许多有见地的讨论。 我很欣赏与Omer Sedes、Jetin E Thomas、KabirRamola 、 QinXu 、 MarcioGameiro 和 KonstantinMischaikow的合作。我非常喜欢和我的同事和朋友一起工作：EliseChen， Endao Han ，Nicole M James ，NeilDolinski ， Melody XLim和Bryan VanSaders，多年来• 我还要感谢Rob Poole和Ian Frigaard邀请我并主持JNNFM系列研讨资金这项工作得到了分层材料设计中心（CHiMaD）的支持，奖项号为70NANB19H005（美国国防部）。商业），从芝加哥MRSEC，这是由NSF DMR 2011854支持，并从陆军研究办公室在赠款W 911 NF-19-1-0245，W 911 NF-20-2-0044，W 911 NF-21-2-0146，和W 911 NF-21-1-0038。申报利益作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。引用[1] E. 布朗，H.M.杨文，高浓度悬浮液的剪切增稠：现象学，机械加工和机械加工，北京：机械工业出版社，2000。 Prog。 你好。1999年12月，美国总统克林顿在华盛顿对美国进行了国事访问。或g/10。1088/00 3 4-4885/77/4/046 6 0 2.[2] R. 濑户河J.F.马里莫里斯，M.M.摩擦硬球悬浮液的不连续剪切增稠，物理。Rev. 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Behringer，剪切堵塞，Nat 480（7377）（2011）355-358。[24] R. 塞托A.辛格湾Chakraborty，M.M.Denn，J.F.Morris，Shear jamming and fragilanceinindensessuspen sion s ， Gr anul.21（ 3 ）（ 201 9 ） 82 ，h tt ps ：//d oi. 或g/10。10 07/s10035-019-0931-5。[25] A.J. 刘先生内格尔，干扰过渡和轻微干扰固体，年。R ev. C o n d e ns. 我是医生。 1（ 1 ） （ 20 10 ） 3 47- 3 6 9 ， h t t p s ： / / d o i 。 或g/10 。 11 4 6/an urev-conmatphys-070909-104045。[26] M. 范Hecke，软粒子的干扰：几何，力学，标度和等静压，J。Phys. 康登斯 Matter 22（3）（2009），033101，https://doi.org/10.1088/0953-8984/22/3/033101。进一步阅读[其他] M. Gameiro，A.辛格湖，澳-地Kondic，K. Mischaikow，J.F. Morris，剪切增稠悬浮液中的相互作用网络分析，物理修订版。 流体5（3）（2020），034307。[其他]O. Sedes，A.辛格，J.F.Morris，悬浮液中不连续剪切增稠开始时的波动，J. Rheol. 64（2）（2020）309-319。[其他]Rheol 64（2），321-328[ 其 他 ]J.E. 托 马 斯 ， A.Goyal ， D.Singh Bedi ， A. 辛 格 ， E. 德 尔 加 多 湾 Chakraborty，Investigatingthe nature of discontinuous shear thickening：beyond a mean-fielddescription，J. Rheol. 64（2）（2020）329-34 1.Abhinendra Singh是芝加哥大学的博士后研究员，在詹姆斯弗兰克研究所（JFI）的HeinrichJaeger教授和JFI的Heinrich Jaeger教授 的 指 导 下 。 普 利 兹 克 分 子 工 程 学 院 （ Pritzker School ofMolecular Engineering，PME）他的研究工作集中在模拟悬浮动力学，他开发了用于表征、可视化和理解颗粒湍流连续行为的数值方案，包括干/湿颗粒流、分解和模拟。博士辛格获得了博士学位。在荷兰的特文特大学，他与教授们共同担任顾问Stefan Luding和Vanessa Magnanimo在这里，他使用数值模拟研究了致密颗粒材料的湍流行为，用于他的博士研究。然后，他搬到纽约市立学院的Levich研究所，在那里他发展了本构模型的密集摩擦悬浮液作为他的第一个博士后研究的一部分，由教授共同监督。杰夫·莫里斯和莫顿·丹恩。博士Singh因其题为“致密摩擦悬浮液简单剪切的本构模型”的工作而获得2020年流变学杂志出版奖博士Singh亦于2020年的虚拟高密度悬浮物理学研讨会上获得青年科学家最佳演讲奖除了研究，阿比南德拉也热衷于指导学生。他对指导学生的贡献得到了认可，并被芝加哥大学PME授予博士后研究人员玛丽亚·拉斯特拉优秀指导奖
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