Page 190 - 《爆炸与冲击》2025年第6期

第 45 卷 戚承志，等： 慢速和快速滑移下断层颗粒夹层的黏性特性 第 6 期

目前，关于颗粒夹层高速滑移情况下的黏性特性的试验研究不足。因为正如前文所述，该问题涉及
到夹层颗粒介质诸如温度升高、粒子碎化（纳米粒子的形成）、介质熔化、含碳酸钙介质的分解等物理化
学现象，以及介质的湍流运动特性，且宏观黏性力分量和摩擦力分量交织在一起，试验时存在区分困难，
数据缺乏等问题。
但是在高速滑移情况下的颗粒夹层运动类似于固体熔化体的运动和固体在高应变率条件下的快速
类液体变形运动 [52, 54-56] 。对于熔化的玻璃流体运动可采用如下的应变率依赖黏性系数表达式 [44] ：
ï ò −1
η T ˙ε
η(T, ˙ε) = η T 1+ (31)
σ ∞
η T 为温度为 σ ∞ 为熔化流体的最大强度。由上式可以看出，在高应变率时，黏性
式中： T 时的黏性系数；
系数在大的应变率条件下具有式 (30) 那样的反比关系。

图 1 展示了碳化硅、氧化铝的强度随应变 16
率变化的情况 [57] 。在高应变率阶段，碳化硅、氧
化铝的动态强度几乎不变，可以认为作为动力强 12
η˙ε = const ，所
度主要成分的黏性成分为常数，即
η(˙ε) = const/ ˙ε ，与式 (30) 符合。 8
以 Dynamic stress/GPa Silicon carbide
对照前面慢速滑移的分析结果，黏性系数
η = 2σ δ/3v = 2σ /(3˙γ) 。可以看到在慢速与快速 4
∗
∗
滑移条件下黏性系数对于剪切应变率的依赖性 Aluminum oxide
一致。如果认为式 (30) 对于从低速滑移到高速 2
10 −6 10 −3 10 0 10 3 10 6
滑移范围内都成立，那么式 (30) 中的常数应该为 Strain rate/s −1
2σ /3 。这样就可以实现黏性系数的统一描述。 图 1 碳化硅、氧化铝强度随应变率变化情况 [58]
∗
但是目前在中间断层滑移速度情况下断层颗粒 Fig. 1 Variation of silicon carbide and aliminum oxide strength
夹层黏性的理论与试验研究不足，因为该问题涉 with strain rate [58]
及到复杂的物理化学反应，以及颗粒夹层运动从层流到湍流的过渡，且宏观黏性力分量和摩擦力分量交
织在一起，试验时不好区分。因此，需要在未来进一步深入研究。
正如文献 [44] 所指出的那样，剪切应变率增大时黏性系数的降低是由材料结构在应变率条件下介
质的内部结构动态变化引起的。在较低的断层滑移速度下，介质的松弛时间取决于力链的生存时间，而
力链的生存时间与应变率成反比；而在高速滑移情况下，介质的松弛时间取决于涡旋的生存时间，而涡
旋的生存时间也与应变率成反比，因而黏性系数随着应变率的增大而减小。

3 结 论

本文中研究了慢速和高速滑移条件下断层颗粒夹层黏性系数的确定问题。对于颗粒夹层的慢速剪
切滑移情况，力链起着关键的作用，必须考虑力链随着应变率的演化。为此采用介质的 Maxwell 松弛模
型，即颗粒夹层应力增大与否取决于外部加载和由于力链破坏引起的滑移带扩展所致卸载的竞争。由
此模型推得了力链长度对于剪切应变率、剪切带的有效扩展速度、颗粒介质强度的关系，进一步获得了
剪切带的松弛时间和颗粒介质的黏性系数表达式，明确了颗粒介质固-液力学行为转换的条件。该模型
包含了颗粒大小、断层滑移速度、颗粒介质强度、剪切模量、剪切应变率、剪切带的有效扩展速度，是有
效的力链演化的力学模型。与已有试验数据的对比验证了该模型的正确性。对于高速滑移剪切，夹层
介质中会发生诸如温度升高、粒子碎化（纳米粒子的形成）、介质熔化、含碳酸钙介质的分解等物理化学
现象。断层颗粒夹层的粒子的运动为旋转模式主导，颗粒介质运动具有湍流特征。因此使用统计物理
学来描述岩石颗粒之间的相互作用，得到了颗粒介质的黏性系数与剪切率成反比的结论。上述结果是
由夹层颗粒介质结构在滑移条件下的动态变化引起的。在低速滑移情况下，介质的松弛时间取决于力

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