ダイラタント

ダイラタント（/ d aɪ ˈ l eɪ t ə n t /、/ d ɪ -/）（せん断増粘性^{[1]とも呼ばれる）材料は}、せん断ひずみの速度とともに粘度が増加する材料です。このようなせん断増粘性流体は、頭文字でSTFとも呼ばれ、非ニュートン流体の一例です。この挙動は通常、純粋な材料では観察されませんが、懸濁液では発生することがあります。

ダイラタントは非ニュートン流体であり、せん断応力が加わるとせん断粘度が増大します。この挙動はニュートンの粘性法則からの逸脱の 1 つにすぎず、粒子のサイズ、形状、分布などの要因によって制御されます。これらの懸濁液の特性はハマカー理論とファンデルワールス力に依存し、静電的または立体的に安定化できます。せん断増粘挙動は、コロイド懸濁液が安定状態から凝集状態に移行するときに発生します。これらのシステムの特性の大部分は、コロイドと呼ばれる分散粒子の表面化学によるものです。

これは、コーンスターチと水の混合物（ウーブレックと呼ばれることもあります）で簡単に確認できます。これは、表面に叩かれたり投げつけられたりすると、直感に反した方法で動作します。完全に水に浸された砂も膨張性物質として動作します。 これが、濡れた砂の上を歩くと、足元に直接乾いた領域が現れる理由です。

レオペクティは、時間の経過とともに累積的な応力または攪拌によって粘度が増加する同様の特性です。ダイラタント材料の反対は擬塑性材料です。

実際のシステムでは、ニュートンの法則からの逸脱が 2 種類観察されます。最も一般的な逸脱は、ずり流動化挙動で、ずり速度が増加するとシステムの粘度が低下します。2 つ目の逸脱は、ずり増粘挙動で、ずり速度が増加するとシステムの粘度も増加します。この挙動は、システムが応力下で結晶化し、溶液というよりも固体のように挙動するために観察されます。^[2]したがって、ずり増粘流体の粘度は、ずり速度に依存します。浮遊粒子の存在は、多くの場合、溶液の粘度に影響します。実際、適切な粒子を使用すると、ニュートン流体であっても非ニュートン挙動を示すことがあります。この例は、水中のコーンスターチであり、以下の § 例に含まれています。

せん断増粘挙動を制御するパラメータは、粒子サイズと粒子サイズ分布、粒子の体積分率、粒子の形状、粒子間相互作用、連続相粘度、変形の種類、速度、時間です。これらのパラメータに加えて、すべてのせん断増粘流体は安定化された懸濁液であり、固体の体積分率が比較的高いです。^[3]

溶液の粘度はせん断速度の関数としてべき乗法則で表され、^[4] ここでηは粘度、Kは材料ベースの定数、γ̇は適用されるせん断速度です。 $${\displaystyle \eta =K{\dot {\gamma }}^{n-1},}$$

nが 1 より大きい 場合、ダイラタント動作が発生します。

以下はいくつかの一般的な材料の粘度値の表です。^{[5] [6] [7]}

懸濁液は、異なる不均質相全体に分散した微細な粒子相で構成されています。ずり粘稠化挙動は、固体の粒子相が液相内に分散しているシステムで観察されます。これらの溶液は不安定であるという点でコロイドとは異なります。分散液中の固体粒子は沈降するのに十分な大きさであるため、最終的には沈殿します。一方、コロイド内に分散している固体はより小さく、沈殿しません。静電的および立体的など、懸濁液を安定化する方法は複数あります。

不安定な懸濁液では、分散した粒子相は、重力やハマカー引力などの粒子に作用する力に応じて溶液から出てきます。これらの力が粒子相を溶液から引き出す効果の大きさは、粒子のサイズに比例します。大きな粒子の場合、重力は粒子間相互作用よりも大きくなりますが、小さな粒子の場合はその逆になります。剪断増粘挙動は、通常、小さな固体粒子の懸濁液で観察され、粒子間ハマカー引力が支配的な力であることを示しています。したがって、懸濁液を安定化するには、反作用的な反発力を導入する必要があります。

ハマーカー理論は、微粒子などの物体間の引力について説明します。ファンデルワールス力の説明は、誘起双極子を持つ 2 つの分子間の相互作用の説明から、物体間のすべての分子間力を合計することによってマクロスケールの物体にまで拡大できることが認識されました。ファンデルワールス力と同様に、ハマーカー理論は、粒子間相互作用の大きさが距離の 2 乗に反比例すると説明します。したがって、多くの安定化された懸濁液には、相互作用する物体が十分な距離にある場合にハマーカー引力よりも優勢な長距離反発力が組み込まれており、物体が互いに近づくのを効果的に防ぎます。ただし、距離が短い場合はハマーカー引力が優勢になり、微粒子が凝固して溶液から落ちます。懸濁液を安定化するために使用される 2 つの一般的な長距離力は、静電気力と立体力です。

液体電解質に分散された、同様に帯電した粒子の懸濁液は、ヘルムホルツ二重層モデルで説明される効果によって安定化されます。このモデルには 2 つの層があります。最初の層は粒子の帯電表面で、電解質内のイオンに影響を及ぼす静電場を生成します。これに応じて、イオンは等しく反対の電荷を持つ拡散層を生成し、表面電荷を実質的に中性にします。ただし、拡散層は粒子の周囲に、バルク電解質とは異なる電位を生成します。

拡散層は、粒子を安定させるための長距離力として機能します。粒子が互いに近づくと、一方の粒子の拡散層がもう一方の粒子の拡散層と重なり、反発力が発生します。次の式は、ハマカー相互作用と静電反発の結果としての 2 つのコロイド間のエネルギーを示します。

$${\displaystyle V=\pi R\left({\frac {-H}{12\pi h^{2}}}+{\frac {64Ck_{\text{B}}T\Gamma ^{2}e^{\kappa }h}{\kappa ^{2}}}\right),}$$ どこ：

• V、コロイド間のエネルギー、
• R、コロイドの半径、
• − H、コロイドと溶媒間のハマカー定数、
• h、コロイド間の距離、
• C、表面イオン濃度、
• k _B、ボルツマン定数、
• T 、ケルビン単位の温度、
• ${\displaystyle \Gamma ,}$表面の過剰、
• ${\displaystyle \kappa ,}$逆デバイ長。

静電気とは異なり、立体的に安定化された懸濁液は、粒子の表面に付着したポリマー鎖の物理的相互作用によって懸濁液を安定化させます。吸着されたポリマー鎖はスペーサーとして機能し、ハマカー引力が優勢になり、粒子が懸濁液から引き抜かれるのを防ぐのに十分な距離で懸濁粒子を分離します。ポリマーは通常、粒子の表面にグラフト化または吸着されます。グラフトポリマーでは、ポリマー鎖のバックボーンが粒子表面に共有結合します。一方、吸着ポリマーは疎液性領域と親液性領域からなる共重合体で、疎液性領域は粒子表面に非共有結合で付着し、親液性領域は立体境界またはスペーサーを形成します。

コロイドのダイラタンシー、つまりせん断力の存在下での秩序化能力は、粒子間力の比率に依存します。ファンデルワールス力などの粒子間力が優勢である限り、浮遊粒子は整然とした層に留まります。しかし、せん断力が優勢になると、粒子は凝集状態になり、もはや浮遊状態に保たれなくなり、固体のように振る舞い始めます。せん断力が除去されると、粒子は分散し、再び安定した懸濁液を形成します。

せん断増粘挙動は、液体内に浮遊する固体粒子の体積分率に大きく依存します。体積分率が高いほど、せん断増粘挙動を開始するために必要なせん断は少なくなります。流体がニュートン流からせん断増粘挙動に移行するせん断速度は、臨界せん断速度として知られています。

比較的低いせん断速度で濃縮された安定化溶液をせん断すると、反発する粒子間相互作用により、粒子は整然とした層状の平衡構造を維持します。しかし、せん断速度が臨界せん断速度を超えると、粒子を押し付けるせん断力が反発する粒子間相互作用を克服し、粒子を平衡位置から押し出します。これにより無秩序な構造が生じ、粘度が増加します。^[8]

ここでの臨界せん断速度は、粒子を押し付けるせん断力が粒子の反発相互作用と等しくなるせん断速度として定義されます。

安定化された懸濁液の粒子が不動状態から可動状態に移行すると、粒子の小さなグループがハイドロクラスターを形成し、粘度が増加します。これらのハイドロクラスターは、瞬間的に圧縮された粒子で構成され、渋滞や交通渋滞に似た不規則な棒状の粒子の鎖を形成します。理論上、粒子間の隙間は非常に小さいため、この瞬間的で一時的なハイドロクラスターは圧縮不可能になります。凝集によって追加のハイドロクラスターが形成される可能性があります。^[9]

コーンスターチは料理によく使われる増粘剤です。また、せん断増粘システムの非常に良い例でもあります。水とコーンスターチの 1:1.25 の混合物に力を加えると、混合物は固体として機能し、力に抵抗します。

シリカナノ粒子はポリエチレングリコール溶液に分散されています。シリカ粒子は凝集すると高強度の材料となり、液体防弾チョッキやブレーキパッドなどの用途に使用できます。

ダイラタント材料は、そのせん断増粘挙動のため、特定の産業用途に使用されています。たとえば、一部の全輪駆動システムでは、ダイラタント流体で満たされた粘性カップリング ユニットを使用して、前輪と後輪の間で動力を伝達します。高牽引路面では、主駆動輪と副駆動輪の相対運動は同じであるため、せん断は低く、動力はほとんど伝達されません。主駆動輪が滑り始めると、せん断が増加し、流体が増粘します。流体が増粘するにつれて、副駆動輪に伝達されるトルクは比例して増加し、完全に増粘した状態で伝達可能な最大量の動力が伝達されます。(同じ原理で動作するタイプもあるリミテッド スリップ デファレンシャルも参照してください。) オペレーターにとって、このシステムは完全に受動的であり、必要なときに 4 つの車輪すべてを駆動し、必要がなくなったら 2 輪駆動に戻ります。このシステムは、ダイラタント流体の最大粘度によってカップリングを介して伝達できるトルクの量が制限されるため、一般にオンロード車両ではなくオフロード車両に使用されます。

様々な企業や政府機関が、ずり粘稠化流体を防弾チョッキとして利用する研究を行っている。このようなシステムでは、着用者に通常の範囲での動きの柔軟性を与えつつ、銃弾やナイフによる突き刺し、および類似の攻撃に耐える剛性を提供することができる。原理は鎖帷子の防弾チョッキに似ているが、ダイラタントを使用した防弾チョッキははるかに軽量である。ダイラタント流体は突然の打撃の力をユーザーの体のより広い範囲に分散させ、鈍的外傷を軽減する。しかし、ダイラタントは、流れを生じさせるようなゆっくりとした攻撃、例えばゆっくりとした力強い突き刺しなどに対しては、追加の保護を提供しない。^[10]

ある研究では、標準的なケブラー繊維を、ケブラーと独自のせん断増粘流体の複合装甲と比較しました。その結果、ケブラーと流体の組み合わせは、ケブラーの3分の1以下の厚さであるにもかかわらず、純粋なケブラー素材よりも優れた性能を発揮することが示されました。^[10]

個人用保護具に使用されている膨張性材料の例として、Armourgel、D3O 、ArtiLage（人工軟骨フォーム）、およびDow Corning社製の「Active Protection System」の4つが挙げられます。^[11]

2002年、アメリカ陸軍研究所とデラウェア大学の研究者らは、液体装甲、つまり防弾チョッキへのせん断増粘液の使用に関する研究を開始した。研究者らは、ケブラーなどの高強度繊維に液体を染み込ませると、防弾性能や耐刺し傷性能が向上することを実証した。^{[12] [13]}「液体装甲」技術の目標は、低コストで軽量でありながら、現在のケブラー繊維と同等かそれ以上の弾道特性を備えた新素材を開発することである。^[14]

液体装甲に関する研究により、ARLの機械技術者であるエリック・ウェッツェル博士と彼のチームは、陸軍科学会議において、科学的業績に対する陸軍の最高賞である2002年のポール・A・サイプル賞を受賞した。^[15]

D3O社は、オートバイやエクストリーム スポーツの保護具、工業用作業服、軍事用途、電子機器の衝撃保護など、幅広い標準およびカスタム アプリケーションで幅広く採用されている非ニュートン ベースの材料を発明しました。この材料は、通常の着用時には柔軟性を発揮しますが、強い衝撃を受けると硬くなり、保護力を発揮します。一部の製品は直接販売されていますが、同社の製造能力の多くは、他の企業に材料を販売し、各社の保護製品ラインで使用するためのライセンス供与に充てられています。

• 「せん断増粘流体 (STF) ファブリック: 出版物」。2006 年 9 月 17 日にオリジナルからアーカイブされました。
• 「液体防弾チョッキ - レオロジストが防護服にせん断増粘性流体を適用」。2007 年 1 月 6 日にオリジナルからアーカイブ。
• 陸軍科学: ロボット、液体装甲、仮想現実
• アーモンド、ピーター（2024年7月19日）。「軍隊が液体装甲をテスト」サンデータイムズ。