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流变学中剪切应力与剪切应变的关系

点击次数:783 更新时间:2023-09-20

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剪应力是应力的一种,定义为单位面积上所承受的剪力,且力的方向与受力面的法线方向正交。剪切应变是指物体受力产生变形时,体内各点处变形程度一般并不相同,用以描述一点处变形的程度的力学量是该点的应变。简单讲就是两个相互垂直的面在受力变形后以弧度表示的夹角的改变量。应变的原因是应力,应力的结果是应变。


粘度的定义:


黏度也可以称为粘度,是指流体对流动所表现的阻力。当流体 (气体或液体) 流动时, 一部分在另一部分上面流动时, 就受到阻力, 这是流体的内摩擦力。要使流体流动就需在流体流动方向上加一切线力以对抗阻力作用。黏度系数 (简称黏度)η的物理意义是:在相距单位距离的两液层中, 使单位面积液层维持单位速度差所需的切线力。


对于简单流体,在层流情况下推力与推动速度成正比,其中的比例因子η称为黏度系数(粘度)


粘度概念最初来自牛顿对简单流体的研究,后来转变为一种定义,即不管实际流体是否呈现如上正比关系,在一定的剪切速率下,将剪切应力与剪切速率的比值定义为该剪切速率下的表观剪切粘度,简称粘度


粘度的测量:


通常将流体夹于上海保圣RH-30流变仪一动板与一静板之间,动板以可控速率旋转,测量转动所需的力,由此计算粘度。


在一定的温度下,粘度是剪切速率的函数。大多数实际流体表现为非牛顿性质(以剪切变稀较为常见),包含某些速率范围内的牛顿区。


牛顿流体:任一点上的剪应力都同剪切变形速率呈线性函数关系的流体称为牛顿流体。自然界中许多流体是牛顿流体。水、酒精等大多数纯液体、轻质油、低分子化合物溶液以及低速流动的气体等均为牛顿流体。这些体系微观上以小分子的高速无规则运动为主,以常规的剪切速率很难观察到分子取向有序化而降低剪切应力的作用。而大分子/颗粒/胶粒/乳浊液滴等较大尺度的运动单元所占比例甚低,不起主导作用。


剪切变稀:剪切变稀也称为切力变稀,是在加工高聚物熔体、高聚物流体等假塑性流体的过程中,表观粘度随着切应力的增加而减小的现象。高分子在流动时各液层间总存在一定的速度梯度,细而长的大分子若同时穿过几个流速不等的液层时,同一个大分子的各个部分就要以不同速度前进,这种情况显然是不能持久的。因此,在流动时,每个长链分子总是力图使自己全部进入同流速的流层。不同流速液层的平行分布就导致了大分子在流动方向上的取向。这种现象犹如河流中随同流水一起流动的绳子(细而长)一样,它们总是自然地顺着水流方向纵向排列的,聚合物在流动过程中随剪切速率或剪切应力的增加,由于分子的取向使黏度降低。常见体系包括乳液、悬浮液、大分子溶液、胶体、以及高分子熔体。


剪切速率越大 ,微观单元沿剪切方向的取向度越大,对于层流,层间“纠缠"减少,流动阻力下降。


剪切增稠:体系粘度随着剪切速率或剪切应力的增加展现出个数量级增加的非牛顿流体行为。这类悬浮液往往在低剪切速率和应力下首先表现为剪切变稀。当应力或速率超出临界值时,有组织的流动状态被打乱,颗粒运动互相阻碍或形成团聚体,粘度明显增大,甚至出现类似固体的弹性相应。剪切增稠现象常见于高浓度的纳米或微米级颗粒和牛顿流体组成的悬浮体系中。但是,当改变剪切条件时,这种浓悬浮液同样可以表现出剪切变稀、牛顿等流变行为。


流变学测量是观察高分子材料内部结构的窗口,通过高分子材料,诸如塑料、橡胶、树脂中不同尺度分子链的响应,上海保圣RH-30流变仪可以表征高分子材料的分子量和分子量分布,能快速、简便、有效地进行原材料、中间产品和最终产品的质量检测和质量控制。流变测量在高聚物的分子量、分子量分布、支化度与加工性能之间构架了一座桥梁,所以它提供了一种直接的联系,帮助用户进行原料检验、加工工艺设计和预测产品性能。


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