Badania nad efektem zagęszczania ścinaniem w inteligentnych materiałach 

Ciecze zagęszczane ścinaniem (ang. Shear Thickening Fluids, STF) są to układy kompozytowe typu ceramika-polimer charakteryzujące się zmienną lepkością będącą funkcją naprężeń ścinających. Dzięki tej właściwości, STF mogą znaleźć zastosowania jako sprytne materiały do tłumienia i rozpraszania energii towarzyszącym uderzeniem. W pewnym obszarze odkształceń STF można zaobserwować maksymalną wartość lepkości zwaną „skokiem dylatancyjnym”. Wysokość i szerokość amplitudy skoku zależy od składu STF oraz sposobu generowania naprężeń w cieczy. 

Celem projektu jest opracowanie nowej metody pozwalającej na ilościowo-jakościową charakterystykę efektu zagęszczania ścinaniem w STF. 

Badania będą prowadzone na serii próbek STF różniących się zawartością fazy stałej, wytworzonych z odpowiedniej krzemionki pirolitycznej zdyspergowanej w glikolu poli(glikolu propylenowym) o masie cząsteczkowej 1000g/mol. Próbki zostaną wytworzone na Wydziale Inżynierii Materiałowej. Reologia cieczy, za pomocą geometrii pomiarowej płytka−płytka, zostanie zbadana na Wydziale Chemicznym.

W ramach tego projektu zostanie zaprojektowany układ pozwalający na analizę efektu zagęszczania ścinaniem. Generator impulsu wywołującego efekt zagęszczania ścinaniem zostanie umieszczony w naczyniu z próbką STF. Geometria i kształt naczynia zostaną dobrane w ten sposób by maksymalnie ograniczyć efekt odbicia generowanej fali od ścianek naczynia Generowanie impulsu będzie miało charakter krótkotrwały (czasy na poziomie µs) lub długofalowy symulujący trzęsienie ziemi. Do generowania impulsów zostaną wykorzystanie dwie metody: mimośrody oraz wzbudniki ultradźwiękowe pracujące przy częstotliwościach (20-180kHz) wysterowane z końcówki mocy wyposażonej w półmostek typu H. Generatory impulsów będą pracować pod kontrola systemu automatyki Beckhoff z częstotliwością próbkowania 0.1 µs (oversampling). W trakcie badań kontrolowana i rejestrowana będzie amplituda oraz częstotliwość impulsu za pomocą odpowiednich akcelerometrów z transformacją Fouriera.

Odpowiedź układu pomiarowego będzie realizowana na podstawie szybkozmiennego sygnału analogowego o wartości 0−10 V pochodzącego od odkształcenia tensometrów oporowych o odpowiedniej konstrukcji umieszczonych w naczyniu pomiarowym z próbką STF. Ze względu na złożoność zagadnienia tensometrii oporowej, rodzaj i typ tensometrów został zoptymalizowany na podstawie wstępnych badań w układzie dwuwymiarowym. Odpowiednia ilość i geometria umiejscowienia tensometrów pozwoli w jednym pomiarze otrzymać walidowaną macierz zmiennych w osiach X-Y-Z. Po każdym impulsie seria danych zostanie poddana akwizycji. Zagregowane będą walidowane statystycznie pod kątem niepewności pomiarowej a następnie poddane analizie w oprogramowaniu Matlab i Simulink.

Wymiernym, praktycznym efektem pracy będzie stworzenie modelu matematycznego w przestrzeni trójwymiarowej R3 pozwalającego uzależnić charakterystykę oddziałującego bodźca z efektem jakościowo-ilościowy nabudowującej się struktury.

Dane podstawowe

Kierownik projektu dr hab. inż. Mariusz Tryznowski

Budżet projektu: 249.050,00

Czas trwania projektu: od 01.01.2021 do 31.12.2022.