流变学101 - 学习基础知识

流变学是用于分析材料的流变行为的方法。流变学定义为对物质流动或变形的研究。结果，流变学描述了随着时间的推移的力和变形。

与大多数科学领域一样，流变学一词源于古希腊语Rheo意思是英语中的“流”。随着该领域的发展，它不再仅仅关注液体的流动，而是固体的变形以及具有液体和固体特性的粘弹性材料的复杂行为，这取决于所应用的力/变形。欧洲杯足球竞彩

可以使用A节流计测量本文将分别涵盖的样本的流变行为。该文章将首先涵盖简单和复杂的流体的测试，然后进行变形和粘弹性测试。

粘度

流量可以是剪切，其中流体成分相互剪切或延伸，其中流体成分彼此流向或远离。大多数流通过剪切机构发生，并且可以使用旋转的流变仪轻松测量。

剪切流

剪切流可以描述为几层流体彼此滑动，每个上层移动的速度都比其下方的层快。流体的底层被认为是固定的，顶层的速度最高。由于在流体上施加了剪切力，因此发生纯粹的流动。

外部剪切力是数学描述的（图1）为剪切应力（σ），这是在单位区域（a）上施加的力（f）。当顶层对此力的反应最大，而底层根本没有响应，则通过样品（x/h）形成位移梯度，这称为纯属应变（γ）。

图1- 定量剪切速率和剪切应力相互滑动的流体层。

对于经典固体，即那些以单个材料块形式行为的固体，当施加压力时，无限的应变意味着流动是不可能的。对于分量可以彼此流过的流体，在施加应变的时间内，纯粹的应变会增加。这种增加导致速度梯度，这称为纯粹的速率（V），并以相对于时间（Dγ/DT）为菌株的差异。

剪切应力在流体中的应用涉及动量的转移。随着剪切应力等于动量转移速率（动量通量）向流体的上层。由于碰撞能量损失，该动量通过流体层向下传递，并因此减少了动能，因此层速度。

剪切速率和剪切应力之间的比例系数用剪切粘度（又称动态粘度，（η））描述。剪切粘度描述了其层之间流体的内部摩擦和更大的粘度导致阻尼，即系统中动能的损失。

牛顿流体是剪切速率和剪切应力之间具有线性关系的流体，意味着粘度是不变的。牛顿液的日常液体包括水，稀胶体分散体和简单的碳氢化合物等实例。

非牛顿流体是具有非线性关系的流体，即粘度随施加的剪切应力或剪切速率的功能而变化。

粘度也是温度和压力依赖性的。随着压力的增加（随着层被推在一起），随着温度的升高，粘度往往会增加。温度在两者中具有更大的影响，其粘性流体（例如沥青或沥青）比较少的粘性流体（例如简单的碳氢化合物）表现出更多的温度依赖性。

用单个头部（应力控制）旋转粘度计的剪切粘度测量如下。样品在两个平行板之间加载，它们之间的间隙（h）精确（图2）。单头流变体可以设置用于受控的速率测量值（应用旋转速度并应用速度所需的扭矩）或受控应力测量（在应用扭矩并测量旋转速度的情况下）。

图2- 显示了平行板之间加载的样品和在整个间隙上产生的剪切轮廓。

对于受控的应力测量，电动机驱动扭矩，该扭矩被转移到板面积（a）上的液体上的力（f）中，以产生剪切应力（f/a）。剪切应力的应用导致液体以剪切速率流动，这取决于粘度。由于已知板之间的间隙（h）之间的间隙，因此可以使用上板的角粘度（ω）的总和来计算剪切速率（v/h），该粘度（ω）由传感器和板半径（r），因为v =rΩ。

其他类型的测量系统经常用于测量粘度，例如锥形板和同心圆柱系统。锥板系统很受欢迎，因为它们在样品上提供了一致的剪切速率。

样品类型及其粘度范围通常决定使用的测量系统。例如，理想地在双间隙同心圆柱体中测量低粘度和挥发性流体，并且不应在锥板系统中测量大粒子悬浮液。

剪切稀疏

最常见的非牛顿行为类型是剪切变薄，也就是假性塑性流动。在剪切稀疏期间，随着剪切的增加，流体的粘度会减小。在足够低的剪切速率流体下，表现出剪切变薄的粘液将具有恒定的粘度，η₀- 零剪切粘度。在临界点，粘度显着下降，标志着剪切稀疏行为区域的开始。

为什么剪切稀疏？

剪切稀疏是由于施加剪切平面中流体微观结构的重排而发生的。它经常在诸如悬浮液和乳液等分散体中看到，包括聚合物的熔体和溶液。图3显示了表现出剪切变薄的材料中存在的不同类型的剪切诱导方向。欧洲杯足球竞彩

图3- 说明不同的微结构如何响应剪切的应用。

模型拟合

可以使用相对简单的方程式对流曲线的不同特征（如图3所示）进行建模。这种方法允许仅使用少量参数将流曲线的形状和曲率相互比较。

这允许以剪切速率预测流动速率，尽管从被推断的数据得出结论时，必须小心。

拟合流动曲线的三种最流行的方法是功率定律，交叉和西斯科模型。哪个模型最合适取决于要建模的曲线区域和可用的数据范围（图4）。

图4- 流曲线的说明和描述其形状的相关模型。

还有其他可用的型号，例如Ellis模型和Caureau-Yasuda模型，还包括Herschel-Bulkley，Casson和Bingham模型等产量应力的模型。

剪切增厚

大多数聚合物基材料和悬浮液仅显示剪切变薄，尽管有些人还可以显欧洲杯足球竞彩示粘度随着剪切应力或速率增加而增加的行为 - 这种行为称为剪切增厚。

剪切增厚也称为膨胀。从技术上讲，膨胀性是一种特定的机制，通过剪切增厚（同时增加体积），尽管这两个术语往往会互换使用。

触变

在大多数液体中，剪切稀释的行为是完全可逆的，一旦去除力，液体就会恢复其“正常”粘度。如果这种放松是时间依赖性的，则流体称为触变。

触变是在施加剪切施加的显着变化后，剪切液中微观结构的时间依赖性重排的结果（图5）。剪切稀释材料可以是触变的，而触欧洲杯足球竞彩变的材料总是剪切稀疏。

图5-图显示了微观结构变化在不规则形状的颗粒分散体中，响应可变剪切。欧洲杯猜球平台

触变材料的一个例子是油漆。左坐在罐中时的油漆非常厚且粘稠，因为这可以防止去除乳化，但是搅拌后应表现出较低的粘度（即剪切薄薄），以使其更薄且易于涂抹。当搅拌停止时，有一个时间滞后，然后再变得浓密且粘稠，其结构在其上进行了重建 - 这是触变的行为。

产生应力

大量的剪切液均表现出经典液体和固体的特性。当休息时，这些流体通过其聚合物或分子间关联形成颗粒间/分子间网络。这种网络结构是指颗粒表现出坚实的行为，例如弹性。欧洲杯猜球平台这种行为的程度取决于将网络组合在一起的力（结合力）以及屈服应力。

粘弹性

名称所示，粘弹性行为是材料在经典固体（弹性）和经典液体（粘度）之间表现出的行为的地方。欧洲杯足球竞彩

可以使用多种风化学方法之欧洲杯足球竞彩一（例如应力松弛，振荡测试或蠕变测试）测试玻璃弹性材料。

弹性行为

粘性行为

就像可以将弹簧用作模型来描述遵循胡克定律的线性固体的行为一样，可以认为粘性材料以与遵循牛顿定律的仪表盘相似的方式行为。欧洲杯足球竞彩仪表盘是机械系统，具有柱塞，可以将其推入粘稠的牛顿流体。

如果将力/应力施加到仪表盘上，则开始变形，并且这种变形发生在恒定速率（应变速率）上，直到不再施加力为止（图6）。提供位移/变形所需的能量在流体内（主要是热量）丢失，并且施加的应变是永久性的。

图6- 理想液体（仪表盘）对施用和随后去除应变诱导力的反应。

粘弹性行为

绝大多数材料表现出流变的行为，在液体和固欧洲杯足球竞彩体行为之间，因此称为粘弹性材料。为了通过模型来描述这些材料的行为，可以使用弹簧的组合（描述固体行为）和仪表盘（描述液体欧洲杯足球竞彩行为）。

这个弹簧仪表板模型的最基本形式是麦克斯韦模型，涉及弹簧和仪表板的连接。Kelvin-Voigt模型也可以用来描述粘弹性固体，该粘弹性固体也使用弹簧和仪表板，但可以并行连接（图7，也提到了最后）。

图7- （左）代表简单粘弹性液体的麦克斯韦模型；（右）代表简单粘弹性固体的Kelvin-Voigt模型。

蠕变测试

蠕变测试涉及将恒定力施加到弹性材料中，然后测量其应变响应。蠕变测试最常用于蠕变的材料，即在非常长的时间尺度上流动非常缓慢。欧洲杯足球竞彩这些材料的例子包括金属和玻璃。欧洲杯足球竞彩也就是说，可以将蠕变测试应用于许多不同类型的粘弹性材料，以了解有关其行为和内部结构的更多信息。欧洲杯足球竞彩

蠕变测试涉及在设定的时间段中应用恒定剪切应力，结果测量产生的剪切应力。蠕变测试必须在线性粘弹性区域的材料中进行，即存在材料的微观结构。欧洲杯足球竞彩

小振幅振荡测试

最常用的方法，它使用旋转的流变仪为了测量粘弹性行为，是小振幅振荡剪切（SAOS）测试。SAOS测试涉及在连续循环中绕其静止状态（称为平衡位置）周围的样品振荡。由于振荡运动在数学上与循环运动非常相似，因此完整循环等于通过2πRadian（即360°）的革命。

振荡的幅度等于应用于样品的最大力（应力或应变），而每秒振荡的数量作为角频率。

线性粘弹性区域（LVER）

当对粘弹性行为（例如上面覆盖的行为）进行测量时，当样本在其粘弹性区域显示行为时，即应变和应力相互成比例时，进行测量是非常重要的。

当材料处于其范围内时，应力的应用不会导致材料微结构的崩溃（称为屈服），这意味着可以确定材料的微观结构特性。

如果应力足够高以使材料产生材料，则参数之间的非线性关系将开始出现，这使得很难和不准确地将测量结果与材料微观结构相关联。欧洲杯足球竞彩

可以通过应力或应变扫描测试和确定材料产量的点来确定材料的含量位置（图8）。这是G’表现出压力或应变依赖性的点。

图8- 插图显示了不同材料作为应用应变的函数的LVE。欧洲杯足球竞彩

振荡频率扫描

粘弹性材料取决于其休息时间欧洲杯足球竞彩的不同行为，因此，G’和g”不能被视为材料常数。

在蠕变测试中，可以通过测量相对于时间段应力的蠕变依从性来确定时间依赖性的程度。如果使用振荡方法，可以通过改变施加应变或应力的频率来确定时间依赖性的程度。使用此方法，低频率对应于较长的时间尺度，高频对应于较短的时间尺度，因为ω≈1/t。

在玻璃弹性材料上进行频率扫描（按照麦克斯韦模型表现出行为）提供了一个图9中的图。因为G'和g'’可能会因麦克斯韦模型而变化。

在粘弹性液体上执行的频率扫描（Maxwell类型行为的代表）产生了图9中所示的类型图。

图9- 玻璃固体，粘弹性液体和振荡测试中的凝胶的典型频率响应。

粘弹性频谱

可以使用Maxwell和Voigt模型（例如汉堡模型）的组合来描述真欧洲杯足球竞彩实材料的粘弹性行为（图7）。Maxwell模型描述了低频的行为，以及高频的VOIGT模型。

对于纠缠的聚合物系统，图10中说明了频率范围内的预期粘弹性频谱。通常，当使用常规的风化方法时，对于特定材料，通常只能观察到整个频谱的一部分，这些方法取决于仪器敏感性和时间的时间采取材料放松。

图10- 纠缠聚合物系统的典型粘弹性光谱。

参考

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7. 马尔文合理的申请注 -悬架稳定性；为什么粒度，Zeta电位雄性雄科学很重要
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