Интернет-магазин
8 495 984-28-83
Заказать обратный звонок
Офис:
8 495 727-27-20
СПб:
8 812 244-10-50
  • Вход в личный кабинет
  • В корзине нет товаров
  • Мечты

  Материалы  

  Вернуться к списку

d3o® Impact Protection

d3o (ди-три-о) — это новый материал, мягкий и эластичный до тех пор, пока к нему не будет применено резкое сильное воздействие.

Аннотация

Статья посвящена новаторскому материалу d3o, который обладает удивительными свойствами: при малых нагрузках он мягкий и эластичный, а при больших – становится твердым и очень упругим. Эти его свойства связаны непосредственно с его составом и физико-химией коллоидных систем, к которым он и относится, а точнее – d3o является дилатантной неньютоновской жидкостью, как бы дико это не звучало.

О жидкостях вообще

Во введении мы указали, что d3o является неньютоновской жидкостью, хотя на вид он совсем не жидкий, а вполне себе твердый и эластичный. Поэтому совершенно необходимо прояснить, что же вообще считается жидкостью, и почему такой твердый на вид d3o тоже назвали жидкостью, да еще и неньютоновской.

Что такое, вообще говоря, жидкость? Жидкость – состояние вещества, в котором оно может неограниченно менять форму при механическом воздействии снаружи, даже очень малом, практически сохраняя при этом объём. У жидкости нет такой сильной, как у твердого тела, внутренней связи между частицами, чтобы сопротивляться воздействию внешних сил (как самого простого примера, силы тяжести), поэтому та же сила тяжести не размазывает о стол лежащий на нем стальной нож, но вжимает воду в стакан, заставляя ее принять его форму. Это свойство жидкостей называется текучестью.

Другое важное свойство жидкостей, роднящее их с газами – вязкость. Она определяется, как способность оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости относительно другой.

Когда соседние слои частиц (молекул, мицелл, ассоциатов), составляющих жидкость, движутся относительно друг друга, неизбежно происходит столкновение частиц, и возникают силы, затормаживающие их упорядоченное движение. При этом кинетическая энергия упорядоченного движения частиц переходит в тепловую – выделяется тепло, что аналогично результату действия сил сухого трения, когда трущиеся поверхности разогреваются. Поэтому вязкость и назвали, по аналогии с твердыми телами, еще силами вязкого трения, хотя и зависимость силы трения от координаты и ее производных у сил сухого и вязкого трения разная.

Заметность действия сил вязкого трения легко увидеть, размешивая, например, в кастрюле воду. Помешивая ложкой по окружности маленького радиуса, в центре кастрюли, мы замечаем, что сначала вращается лишь центр водяной линзы, а потом, постепенно, во вращение начинают вовлекаться все новые и новые наружные слои жидкости – и они вовлекаются за счет трения слоев молекул воды друг о друга. Чем больше вязкость размешиваемой жидкости – тем больше сил приходится прикладывать к ложке, и тем легче вовлекаются в движение внешние слои.

Вязкостью обладают все жидкости (кроме, разве что, сверхтекучей фракции жидкого гелия, но это отдельный разговор), и у всех она разная. Сжиженные газы очень текучи, жидкости при комнатной температуре тоже не слишком вязкие. Наибольшей же вязкостью обладают не однокомпонентые, не однофазные, а сложные системы, как правило относящиеся к разряду коллоидных (гели, эмульсии частиц микрометровых размеров) или суспензий, в том числе жидкостями с крайне высокой вязкостью можно считать стекла и аморфные твердые тела. Вязкость стекол настолько высока, что при механическом воздействии на стекло оно предпочтет скорее иметь нарушенную структуру, нежели сместить слои своих молекул друг относительно друга – и лопнуть, вместо того, чтобы потечь. Вместе с тем, если посмотреть, например, на старое оконное стекло, которому уже несколько (минимум пять) десятков лет, то можно заметить, что вверху и внизу стеклянный лист имеет неодинаковую толщину. Это говорит о том, что стекло все-таки течет, но чудовищно медленно.

О том, какие бывают жидкости

Все обладающие вязкостью жидкости очень просто подразделяются на ньютоновские и неньютоновские.

Ньютоновскими весьма логично называются жидкости, течение которых подчиняется уравнению Ньютона. Не приводя уравнения, можно сказать по-простому, что ньютоновские жидкости имеют вязкость, не зависящую от силы (а точнее, от изменения скорости деформации), которую к ним прикладывают. Следует пояснить, что вязкость – это коэффициент пропорциональности между образующейся в жидкости в ответ на деформацию силой вязкого трения (а точнее, касательного напряжения), и и изменением скорости этой деформации. Таким образом, кривая течения ньютоновских жидкостей, то бишь график зависимости касательного напряжения от градиента скорости, представляет собой прямую линию, выходящую из начала координат. Наклон этой прямой (на рисунке линия 4) пропорционален вязкости ньютоновской жидкости, или, как ее еще называют, ньютоновской вязкости.


Кривые течения жидкостей:
1 - нелинейновязкопластичная, 2 - вязкопластичная, 3 – псевдопластичная, 4 – ньютоновская, 5 – дилатантная.

Ньютоновская вязкость зависит только от температуры и давления и полностью характеризует поведение жидкости. Ньютоновскими является большая часть жидкостей, с которыми мы привыкли иметь дело: вода, водные растворы, нефтепродукты, ацетон и т.п. Неньютоновскими, или аномальными, называют жидкости, течение которых не подчиняется закону Ньютона. Таких, аномальных с точки зрения гидравлики, жидкостей немало. Они широко распространены в нефтяной, химической, перерабатывающей и других отраслях промышленности.

Все неньютоновские жидкости можно разделить на три группы:

  1. Неньютоновские вязкие жидкости.
  2. Неньютоновские нереостабильные жидкости.
  3. Неньютоновские вязкоупругие жидкости.

 

Неньютоновские вязкие жидкости характеризуются тем, что их свойства не зависят от времени, а касательное напряжение является простой функцией градиента скорости. Они подразделяются на:

  • вязкопластичные жидкости;
  • псевдопластичные жидкости;
  • дилатантные жидкости;

 

Если к вязкопластичной жидкости прикладывать напряжение сдвига, меньшим по величине, чем пороговое значени, то такая жидкость будет оставаться в покое. Как только напряжение сдвига превысит, вязкопластик начнет течь, как обычная ньютоновская жидкость. Иначе говоря, привести в движение вязкопластичную жидкость можно, лишь преодолев её предельное напряжение.

Такое поведение вязкопластиков объясняется тем, что в жидкости, находящейся в покое, образуется жесткая пространственная структура, оказывающая сопротивление любому напряжению, меньшему, чем пороговое. К вязкопластичным жидкостям можно отнести буровые растворы, сточные грязи, масляные краски, зубную пасту – то есть то, что похоже на пасту, главным образом суспензии.

К псевдопластичным жидкостям относятся жидкости, содержащие несимметричные частицы или молекулы высокополимеров, например, суспензии или растворы полимеров, подобных производным целлюлозы.

При маленьких изменениях скоростей деформации молекулы высокополимеров или несимметричные частицы своими большими осями ориентируются вдоль направления движения, вследствие чего возрастает напряжение внутри. После завершения ориентирования, а поведение жидкости не отличается от ньютоновского. Иными словами, если нажимать на псевдопластическую жидкость не резко, то ее вязкость будет высока, а если резко – то будет уменьшаться. Фактически, этот эффект обратен тому, который мы наблюдаем, когда ставим опыты над d3o. Если вам доводилось размешивать сахарный сироп или кисель, то вы понимаете, в чем соль.

К дилатантным неньютоновским относятся жидкости с большим содержанием твердых частиц. При движении с небольшим градиентом скорости жидкость играет роль смазки между твердыми частицами и уменьшает трение. При дальнейшем увеличении градиента скорости жидкость ведет себя, как ньютоновская.

Хорошими примерами дилатантных жидкостей являются крахмальное молочко (2 части крахмала на одну часть воды), или, особенно, охлажденная карамель. Если резко перевернуть стаканчик с холодной карамелью, она вообще встанет комом и не захочет вытекать; втыкание ложки с размаху тоже будет не самым удобным – не то, что если воткнуть ее мягко и не торопясь.

О материале d3o.


Формованная вкладка из d3o

Материал d3o, разработанный одноименной американской компанией, тоже относится именно к дилатантным неньютоновским жидкостям. Как и следовало предполагать, он является коллоидной системой типа геля или суспензией, в которой условную роль жидкой фазы играет вискоза – целлюлозный полимер, а твердой фазой служат частицы полимера, защищенного коммерческой тайной – но, скорее всего, кремнийорганического. Фактически, если обратиться к предыдущему примеру, d3o ведет себя как хорошо охлажденная карамель, только еще более чувствительно к нагрузкам.

Согласно модели, частицы полимера легко дрейфуют друг относительно друга благодаря вискозе, играющей роль смазки между частицами. Если нажимать на d3o мягко, то есть с небольшим возрастанием силы нажатия (или изменением, градиентом скорости деформации, говоря научно) – он эластичен, словно латекс, из него можно скатывать шарики и колбаски, как из пластилина. Однако при резком повышении градиента скорости деформации компенсировать трение между частицами и, соответственно, обеспечить дрейф их друг относительно друга не получается, в результате чего в d3o образуется мгновенная жесткая структура, обусловленная уже обычным, сухим трением между частицами – именно она и обеспечивает скачкообразное изменение вязкости, кажущееся затвердевание материала. Кроме того, за счет мгновенного затвердевания нагрузка распределяется по материалу эффективно. Само собой, как только такая резкая нагрузка будет снята, d3o расслабится и будет опять мягким и эластичным.

Наглядную иллюстрацию того, как это происходит, можно увидеть на главной странице сайта компании, производящей d3o – www.d3o.com. Вверху страницы есть небольшой оранжевый баннер с изображенной на нем структурной решеткой. Если медленно, осторожно вести по нему указателем мыши, частицы материала расступаются, но стоит чуть ускорить движение – и система превращается в жесткую решетку.

Заявленные производителем характеристики подкупают:

  • Плотность: 0.5 - 0.65 г/см3: этот материал, вообще говоря, должен плавать в воде как дерево, то бишь он очень легок. К тому же, это плотность самого d3o, в то время, как защитные вставки для него делаются из пористого геля, который наверняка еще легче;
  • Твердость по Шору: 65 - 81 по шкале 00, что соответствует обыкновенному ластику;
  • Температура плавления: d3o является термопластическим эластомером, то бишь обладает пластичностью уже при КТ;
  • Рабочий диапазон температур: от -55°C до 120°C;
  • Долговечность: демонстрирует постоянство в работе по меньшей мере 4 года;
  • Нетоксичен: собственно, вряд ли вискоза и кремнийорганический полимер могут быть сильно токсичными;
  • Число стирок: материал выдерживает по меньшей мере 40 стирок при 40°C, в непрерывном режиме, без утраты своих функций;