Реология - Rheology

Часть серии по
Механика сплошной среды
Реология
Умные жидкости

Реология (/ряˈɒлədʒя/; из Греческий ῥέω rhéō, "поток" и -λoγία, -логия, «изучение») - это изучение потока вещества, в основном в жидком или газовом состоянии, но также и в виде «мягких твердых тел» или твердых тел в условиях, в которых они реагируют пластическим потоком, а не упруго деформируются в ответ на приложенное сила. Реология - это раздел физики, и это наука, которая занимается деформацией и течением материалов, как твердых, так и жидких.[1]

Период, термин реология был придуман Юджин С. Бингэм, профессор Колледж Лафайет, в 1920 году по предложению коллеги, Маркус Райнер.[2][3] Термин был вдохновлен афоризм из Симплициус (часто приписывается Гераклит ), панта рей (πάντα ῥεῖ, 'все течет',[4][5] и впервые был использован для описания течения жидкостей и деформации твердых тел. Это относится к веществам со сложной микроструктурой, таким как грязь, шламы, подвески, полимеры и другие стеклообразователи (например, силикаты), а также многие пищевые продукты и добавки, физиологические жидкости (например, кровь) и другие биологические материалы, и другие материалы, относящиеся к классу мягкое вещество например, еда.

Ньютоновские жидкости можно охарактеризовать одним коэффициентом вязкость для определенной температуры. Хотя это вязкость будет меняться с температурой, не меняется с скорость деформации. Только небольшая группа жидкостей демонстрирует такую ​​постоянную вязкость. Большой класс жидкостей, вязкость которых изменяется со скоростью деформации (относительная скорость потока ) называются неньютоновские жидкости.

Реология обычно учитывает поведение неньютоновских жидкостей, характеризуя минимальное количество функций, которые необходимы, чтобы связать напряжения со скоростью изменения деформации или скорости деформации. Например, кетчуп вязкость может быть снижена путем встряхивания (или других форм механического перемешивания, когда относительное движение различных слоев материала фактически вызывает снижение вязкости), но вода не может. Кетчуп - это истончение сдвига, как и йогурт и эмульсия краска (Терминология США латексная краска или же акриловая краска ), выставляя тиксотропия, где увеличение относительной скорости потока вызовет снижение вязкости, например, при перемешивании. Некоторые другие неньютоновские материалы показывают противоположное поведение, реопекция: вязкость увеличивается с относительной деформацией и называется загущением при сдвиге или дилатант материалы. Поскольку сэр Исаак Ньютон возникла концепция вязкости, исследование жидкостей с вязкостью, зависящей от скорости деформации, также часто называют Неньютоновская механика жидкости.[1]

Экспериментальная характеристика реологического поведения материала известна как реометрия, хотя термин реология часто используется как синоним реометрии, особенно экспериментаторами. Теоретическими аспектами реологии являются взаимосвязь поведения материала при течении / деформации и его внутренней структуры (например, ориентация и удлинение молекул полимера), а также поведение материалов при течении / деформации, которое не может быть описано классической механикой жидкости или упругостью.

Объем

На практике реология в основном занимается расширением механика сплошной среды для характеристики потока материалов, который показывает комбинацию эластичный, вязкий и пластик поведение путем правильного сочетания эластичность и (Ньютоновский ) механика жидкости. Это также связано с установлением прогнозов механического поведения (в непрерывном механическом масштабе) на основе микро- или наноструктуры материала, например то молекулярный размер и архитектура полимеры в растворе или гранулометрический состав в твердой суспензии. Материалы с характеристиками жидкости будут течь при воздействии стресс которая определяется как сила на площадь. Существуют разные виды напряжений (например, сдвиг, скручивание и т. Д.), И материалы могут по-разному реагировать на разные нагрузки. Большая часть теоретической реологии связана с установлением связи внешних сил и моментов с внутренними напряжениями, градиентами внутренних деформаций и скоростями потока.[1][6][7][8]

Механика сплошной среды
Изучение физики сплошных материалов		Механика твердого тела
Изучение физики сплошных материалов с заданной формой покоя.		Эластичность
Описывает материалы, которые после нанесения возвращаются в исходную форму. подчеркивает удалены.
Пластичность
Описывает материалы, которые необратимо деформируются после значительного приложенного напряжения.		Реология
Изучение материалов как с твердыми, так и с жидкостными характеристиками.
Гидравлическая механика
Изучение физики сплошных материалов, которые деформируются под действием силы.		Неньютоновские жидкости не претерпевают деформаций, пропорциональных приложенному напряжению сдвига.
Ньютоновские жидкости претерпевают деформации, пропорциональные приложенному напряжению сдвига.

Реология объединяет, казалось бы, не связанные между собой области пластичность и неньютоновская жидкость динамику, признавая, что материалы, подвергающиеся этим видам деформации, не могут выдерживать напряжение (особенно напряжение сдвига, так как деформацию сдвига легче анализировать) в статическом равновесие. В этом смысле твердый пластик. деформация это жидкость, хотя с этим течением не связано никакого коэффициента вязкости. Гранулярная реология относится к непрерывному механическому описанию сыпучие материалы.

Одна из основных задач реологии - эмпирически установить взаимосвязь между напряжения (или скорости деформации) и напряжений, путем адекватных измерений, хотя ряд теоретических разработок (таких как обеспечение инвариантов каркаса) также требуется перед использованием эмпирических данных. Эти экспериментальные методы известны как реометрия и озабочены определением с четко определенными реологические функции материала. Такие отношения затем поддаются математической обработке с помощью установленных методов механика сплошной среды.

Характеристика течения или деформации, возникающей из простого поля напряжения сдвига, называется реометрией сдвига (или реологией сдвига). Изучение протяженных потоков называется экстенсиональной реологией. Сдвиговые потоки намного легче изучать, и поэтому для сдвиговых течений доступно гораздо больше экспериментальных данных, чем для протяженных течений.

Вязкоупругость

Основная статья: Вязкоупругость
  • Плавный и твердый характер актуален давно:
    Мы рассматриваем приложение постоянного напряжения (так называемого ползучесть эксперимент):
    • если материал после некоторой деформации в конечном итоге сопротивляется дальнейшей деформации, он считается твердым
    • если, напротив, материал течет бесконечно, он считается жидкостью
  • Напротив, эластичный и вязкий (или средний, вязкоупругий ) поведение актуально в короткие сроки (временное поведение):
    Снова рассмотрим приложение постоянного напряжения:[9]
    • если деформационная деформация материала увеличивается линейно с увеличением приложенного напряжения, тогда материал является линейно упругим в пределах диапазона, в котором он показывает восстанавливаемые деформации. Упругость - это, по сути, процесс, не зависящий от времени, поскольку деформации возникают в момент приложения напряжения без какой-либо временной задержки.
    • Если скорость деформации материала увеличивается линейно с увеличением приложенного напряжения, то материал вязкий в ньютоновском смысле. Эти материалы характеризуются временной задержкой между приложенным постоянным напряжением и максимальной деформацией.
    • если материалы ведут себя как комбинация вязких и упругих компонентов, то материал является вязкоупругим. Теоретически такие материалы могут демонстрировать как мгновенную деформацию в качестве упругого материала, так и замедленную деформацию, зависящую от времени, как в жидкостях.
  • Пластичность поведение, наблюдаемое после того, как материал подвергается предел текучести:
    Материал, который ведет себя как твердое тело при низких приложенных напряжениях, может начать течь выше определенного уровня напряжения, называемого предел текучести материала. Период, термин твердый пластик часто используется, когда этот порог пластичности достаточно высок, а жидкость предела текучести используется, когда пороговое напряжение довольно низкое. Однако принципиальной разницы между этими двумя концепциями нет.

Безразмерные числа

Число Деборы

Основная статья: Число Деборы

На одном конце спектра мы имеем невязкий или простая ньютоновская жидкость, а с другой стороны - твердое тело; таким образом, поведение всех материалов находится где-то посередине между этими двумя концами. Различие в поведении материала характеризуется уровнем и характером упругости, присутствующей в материале при его деформации, что переводит поведение материала в неньютоновский режим. Безразмерное число Деборы предназначено для учета степени неньютоновского поведения потока. Число Дебора определяется как отношение характерного времени релаксации (которое полностью зависит от материала и других условий, таких как температура) к характерному времени эксперимента или наблюдения.[3][10] Маленькие числа Деборы представляют собой ньютоновский поток, в то время как неньютоновское (с присутствием как вязких, так и упругих эффектов) поведение происходит для промежуточных значений чисел Деборы, а высокие числа Деборы указывают на упругое / жесткое твердое тело. Поскольку число Деборы является относительной величиной, числитель или знаменатель могут изменить это число. Например, очень маленькое число Деборы может быть получено для жидкости с чрезвычайно малым временем релаксации или очень большим экспериментальным временем.

Число Рейнольдса

Основная статья: Число Рейнольдса

В механика жидкости, то Число Рейнольдса является мерой соотношение из инерционный силы () к вязкий силы () и, следовательно, количественно оценивает относительную важность этих двух типов эффектов для данных условий потока. При малых числах Рейнольдса преобладают вязкие эффекты и течение ламинарный, тогда как при больших числах Рейнольдса преобладает инерция, и течение может быть бурный. Однако, поскольку реология касается жидкостей, которые не имеют фиксированной вязкости, но могут изменяться в зависимости от потока и времени, расчет числа Рейнольдса может быть сложным.

Это один из самых важных безразмерные числа в динамика жидкостей и используется, как правило, вместе с другими безразмерными числами, чтобы предоставить критерий для определения динамическое подобие. Когда две геометрически похожие схемы потока, возможно, в разных жидкостях с, возможно, разными расходами, имеют одинаковые значения для соответствующих безразмерных чисел, они считаются динамически подобными.

Обычно это дается следующим образом:

куда:

  • тыs - иметь в виду скорость потока, [РС−1]
  • L - характерная длина, [м]
  • μ - (абсолютная) динамическая жидкость вязкость, [Н с м−2] или [Па с]
  • ν - кинематическая вязкость жидкости: , [м2 s−1]
  • ρ - жидкость плотность, [кг · м−3].

Измерение

Реометры инструменты, используемые для характеристики реологических свойств материалов, обычно жидкостей, которые являются расплавами или растворами. Эти инструменты накладывают определенное поле напряжений или деформацию на жидкость и контролируют результирующую деформацию или напряжение. Инструменты могут работать в установившемся или колебательном потоке как при сдвиге, так и при растяжении.

Приложения

Реология находит применение в материаловедение, инженерное дело, геофизика, физиология, человек биология и фармацевтика. Материаловедение используется в производстве многих промышленно важных веществ, таких как цемент, краска, и шоколад, которые обладают сложными характеристиками потока. Кроме того, пластичность Теория не менее важна для проектирования процессов обработки металлов давлением. Наука о реологии и характеристика вязкоупругих свойств при производстве и использовании полимерный материалы имеют решающее значение для производства многих продуктов для использования как в промышленном, так и в военном секторах. Изучение свойств текучести жидкостей важно для фармацевтов, работающих в производстве нескольких лекарственных форм, таких как простые жидкости, мази, кремы, пасты и т. д. Характеристики текучести жидкостей при приложенном напряжении имеют большое значение в фармацевтике. Свойства текучести используются в качестве важных инструментов контроля качества для поддержания превосходства продукта и уменьшения количества вариаций от партии к партии.

Материаловедение

Полимеры

Можно привести примеры, чтобы проиллюстрировать потенциальное применение этих принципов к практическим задачам обработки[11] и использование каучуков, пластмасс и волокон. Полимеры являются основными материалами в резиновой и пластмассовой промышленности и имеют жизненно важное значение для текстильной, нефтяной, автомобильной, бумажной и фармацевтической промышленности. Их вязкоупругие свойства определяют механические характеристики конечных продуктов этих отраслей, а также эффективность методов обработки на промежуточных этапах производства.

В вязкоупругий материалы, такие как большинство полимеры и пластмассы, наличие жидкоподобного поведения зависит от свойств и, следовательно, зависит от скорости приложенной нагрузки, то есть от того, насколько быстро прикладывается сила. В силикон игрушка 'Глупая замазка 'ведет себя совершенно по-разному в зависимости от скорости приложения силы. Потяните за него медленно, и он покажет непрерывный поток, подобный тому, который наблюдается в высоковязкой жидкости. В качестве альтернативы, при сильном и прямом ударе он разбивается, как силикатное стекло.

Кроме того, обычные резинка проходит стеклование (часто называемый резина-стеклование). Например. В Космический шатл Претендент Катастрофа была вызвана резиновыми уплотнительными кольцами, которые использовались необычно холодным утром во Флориде значительно ниже температуры стеклования, и поэтому не могли должным образом изгибаться, чтобы сформировать надлежащие уплотнения между секциями двух частей. твердотопливные ракетные ускорители.

Биополимеры

Линейная структура целлюлоза - самый распространенный компонент из всех органический растительная жизнь на Земле. * Обратите внимание на свидетельство водородная связь что увеличивает вязкость при любой температуре и давлении. Это эффект, аналогичный эффекту полимер сшивание, но менее выраженный.

Золь-гель

Основная статья: золь-гель
Полимеризация процесс тетраэтилортосиликат (TEOS) и вода для образования аморфный гидратированный кремнезем частицы (Si-OH) можно контролировать реологически различными методами.

С вязкость из соль отрегулированы в надлежащем диапазоне, оба оптический качественное стекловолокно и огнеупорный Керамическое волокно может быть использовано для оптоволокна датчики и теплоизоляция, соответственно. Механизмы гидролиз и конденсация, а реологические факторы, которые смещают структуру в сторону линейных или разветвленных структур, являются наиболее важными проблемами золь-гель наука и технология.

Геофизика

Научная дисциплина геофизика включает исследование потока расплавленного лава и изучение селевых потоков (жидких селей). Эта дисциплинарная ветвь также имеет дело с твердыми материалами Земли, которые демонстрируют течение только в расширенных временных масштабах. Те, которые демонстрируют вязкое поведение, известны как рейды. Например, гранит может пластически течь с пренебрежимо малым пределом текучести при комнатной температуре (т. е. вязкое течение). Долгосрочные эксперименты на ползучесть (~ 10 лет) показывают, что вязкость гранита и стекла в условиях окружающей среды составляет порядка 1020 равновесия.[12][13]

Физиология

Физиология включает изучение многих жидкостей организма, которые имеют сложную структуру и состав и, таким образом, демонстрируют широкий диапазон вязкоупругих характеристик потока. В частности, существует специальное исследование кровотока под названием гемореология. Это исследование сыпучести крови и ее элементов (плазма и формованные элементы, в том числе красные кровяные тельца, белые кровяные клетки и тромбоциты ). Вязкость крови определяется вязкостью плазмы, гематокрит (объемная доля эритроцитов, составляющих 99,9% клеточных элементов) и механическое поведение эритроцитов. Следовательно, механика красных кровяных телец является основным фактором, определяющим свойства кровотока.[14]

Реология пищевых продуктов

Реология пищевых продуктов важен при производстве и переработке пищевых продуктов, таких как сыр[15] и мороженое.[16]

Загустители, или же загустители, представляют собой вещества, которые при добавлении в водную смесь увеличивают ее вязкость без существенного изменения других его свойств, таких как вкус. Они обеспечивают тело, увеличивают стабильность, и улучшить приостановка добавленных ингредиентов. Загустители часто используются в качестве пищевые добавки И в косметика и средства личной гигиены. Некоторые загустители желирующие агенты, образуя гель. Агенты представляют собой материалы, используемые для загустения и стабилизации жидких растворов, эмульсии, и подвески. Они растворяются в жидкой фазе в виде коллоид смесь, образующая слабосвязную внутреннюю структуру. Загустители пищевые часто основаны на полисахариды (крахмалы, овощные жевательные резинки, и пектин ), или же белки.[17][18]

Реология бетона

Конкретный 'песок ступка удобоукладываемость связана с реологическими свойствами свежего цемент вставить. Механические свойства затвердевшего бетона улучшаются, если в конструкции бетонной смеси используется меньше воды, однако уменьшение водоцементного отношения может снизить легкость смешивания и нанесения. Чтобы избежать этих нежелательных эффектов, суперпластификаторы обычно добавляются для уменьшения кажущегося предела текучести и вязкости свежей пасты. Их добавление значительно улучшает свойства бетона и раствора.[19]

Реология наполненного полимера

Включение различных типов наполнители в полимеры является обычным средством снижения стоимости и придания полученному материалу определенных желаемых механических, тепловых, электрических и магнитных свойств. Преимущества, которые могут предложить наполненные полимерные системы, заключаются в повышенной сложности реологических свойств.[20]

Обычно, когда рассматривается использование наполнителей, необходимо найти компромисс между улучшенными механическими свойствами в твердом состоянии с одной стороны и повышенной сложностью обработки расплава, проблемой достижения однородности. разброс наполнителя в полимерной матрице и экономики процесса за счет добавления стадии компаундирования с другой стороны. Реологические свойства наполненных полимеров определяются не только типом и количеством наполнителя, но также формой, размером и гранулометрическим составом его частиц. Вязкость наполненных систем обычно увеличивается с увеличением доли наполнителя. Это может быть частично улучшено за счет широкого распределения частиц по размерам с помощью Эффект Фарриса. Дополнительным фактором является стресс перенос на границе раздела наполнитель-полимер. Межфазная адгезия может быть существенно улучшена с помощью связующего агента, который хорошо прилипает как к полимеру, так и к частицам наполнителя. Тип и количество обработка поверхности Таким образом, на наполнителе находятся дополнительные параметры, влияющие на реологические свойства и свойства материала наполненных полимерных систем.

При проведении реологических характеристик высоконаполненных материалов важно учитывать проскальзывание стенок, так как между фактической и измеренной деформациями может быть большая разница.[21]

Реолог

Реолог - это междисциплинарный ученый или инженер, изучающий течение сложных жидкостей или деформацию мягких тел. Это не предмет начальной степени; нет квалификации реолога как таковой. Большинство реологов имеют квалификацию в области математики, физических наук (например, химия, физика, геология, биология ), инженерное дело (например, механический, химический, материаловедение, инженерия пластмасс и инженерия или же гражданское строительство ), лекарство, или определенные технологии, в частности материалы или же еда. Как правило, небольшая часть реологии может быть изучена при получении степени, но человек, работающий в области реологии, расширит эти знания во время исследований в аспирантуре или посещая короткие курсы и вступая в профессиональную ассоциацию (см. Ниже).

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c W. R. Schowalter (1978) Механика неньютоновских жидкостей Пергамон ISBN  0-08-021778-8
  2. ^ Джеймс Фриман Стеффе (1 января 1996 г.). Реологические методы в пищевой промышленности. Freeman Press. ISBN  978-0-9632036-1-8.
  3. ^ а б Число Деборы В архиве 2011-04-13 на Wayback Machine
  4. ^ Барнс, Джонатан (1982). Досократические философы. ISBN  978-0-415-05079-1.
  5. ^ Beris, A. N .; Джакомин, А. Дж. (2014). «πάντα ῥεῖ: Все течет». Прикладная реология. 24: 52918. Дои:10.3933 / ApplRheol-24-52918. S2CID  195789095.
  6. ^ Р. Б. Берд, В. Е. Стюарт, Е. Н. Лайтфут (1960), Явления переноса, John Wiley & Sons, ISBN  0-471-07392-X
  7. ^ Р. Байрин Берд, Чарльз Ф. Кертисс, Роберт С. Армстронг (1989), Динамика полимерных жидкостей, Том 1 и 2, Wiley Interscience, ISBN  0-471-51844-1 и 978-0471518440
  8. ^ Вера А. Моррисон (2001), Понимание реологии, Oxford University Press, ISBN  0-19-514166-0 и 978-0195141665
  9. ^ Уильям Н. Финдли, Джеймс С. Лай, Касиф Онаран (1989), Ползучесть и релаксация нелинейных вязкоупругих материалов, Dover Publications
  10. ^ Райнер, М. (1964). «Число Деборы». Физика сегодня. 17 (1): 62. Bibcode:1964ФТ .... 17а..62Р. Дои:10.1063/1.3051374. ISSN  0031-9228.
  11. ^ А. В. Шеной и Д. Р. Сайни (1996), Реология и обработка термопластических расплавов, Marcel Dekker Inc., Нью-Йорк.
  12. ^ Кумагаи, Н., Сасадзима, С., Ито, Х., Долговременная ползучесть горных пород, J. Soc. Мат. Sci. (Япония), Vol. 27, стр. 157 (1978) В сети
  13. ^ Vannoni, M .; Сордони, А .; Молезини, Г. (2011). «Время релаксации и вязкость кварцевого стекла при комнатной температуре». Евро. Phys. J. E. 34 (9): 9–14. Дои:10.1140 / epje / i2011-11092-9. PMID  21947892. S2CID  2246471.
  14. ^ Окуляр Стекловидное тело подлежит реологическим наблюдениям, особенно во время исследований возрастного разжижения стекловидного тела, или синерезис.Баскурт О.К., Мейзельман Х.Дж .; Мейзельман (2003). «Реология крови и гемодинамика». Семинары по тромбозу и гемостазу. 29 (5): 435–450. Дои:10.1055 / с-2003-44551. PMID  14631543. S2CID  17873138.
  15. ^ С. Гунасекаран, М. Мехмет (2003 г.), Реология и текстура сыра, CRC Press, ISBN  1-58716-021-8
  16. ^ Силаги, Флорина; и другие. (Июль 2010 г.). «Оценка реологических свойств мороженого методом FT-NIR спектроскопии». Food Research International. 43 (6): 1624–1628. Дои:10.1016 / j.foodres.2010.05.007.
  17. ^ Б.М. Маккенна и Дж. Lyng (2003). Текстура пищевых продуктов - Введение в реологию пищевых продуктов и ее измерение. ISBN  978-1-85573-673-3. Получено 2009-09-18.
  18. ^ Николаев Л.К., Николаев Б.Л., «ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАВЛЕННОГО СЫРА« МОЛОКО »», Процессы и оборудование для пищевых производств, Номер 4 (18), 2013
  19. ^ Феррари, L; Кауфманн, Дж; Виннефельд, Ф; Планк, Дж (2011). «Многометодный подход к изучению влияния суперпластификаторов на цементные суспензии». Цемент и бетонные исследования. 41 (10): 1058. Дои:10.1016 / j.cemconres.2011.06.010.
  20. ^ Шеной, Арун В. (1999). Реология наполненных полимерных систем. Дои:10.1007/978-94-015-9213-0. ISBN  978-90-481-4029-9.
  21. ^ К. Фегер, М. МакГлашан-Пауэлл, И. Ннебе, Д.М. Калион, Реология и стабильность высоконаполненных термопаст, Отчет об исследованиях IBM, RC23869 (W0602-065) 2006. http://domino.research.ibm.com/library/cyberdig.nsf/papers/7AAC28E89CA36CC785257116005F824E/$File/rc23869.pdf

внешняя ссылка

Общества
Журналы