粘弹性原理

粘弹性材料的流变性能研究粘弹性材料是一类具有粘性和弹性的特性的材料，具有非常广泛的应用领域，如工程、医学以及生物学等。

对于这类材料的流变性能进行研究，能够帮助我们更好地理解材料的组织结构和力学行为，并为材料的设计与应用提供理论基础。

1. 粘弹性材料的定义与特性粘弹性材料是指在应力作用下既具有固体的弹性行为，又具有流体的粘性行为的物质。

其粘弹性的特点可从宏观和微观两个方面进行描述：宏观上，粘弹性材料在受到外力作用后会发生形变，但形变的恢复过程往往是延迟的，即存在一定的滞后效应。

这种滞后效应是由材料内部分子或聚合物链的重组与移动引起的。

微观上，粘弹性材料内部的聚合物链呈现出虚交联的结构，其分子链由于间隔不规则而导致强烈的相互作用。

这种结构使得材料的应力传递方式更为复杂，从而导致了材料的粘弹性行为。

2. 流变学的基本原理流变学是研究物质在外部应力作用下的变形和流动规律的学科，主要通过应力-应变关系来描述物质的流变性能。

2.1 弹性模量弹性模量是描述材料抵抗形变产生的应力的能力，反映了材料的弹性性质。

对于粘弹性材料而言，其弹性模量会随时间与应力的变化而发生变化。

2.2 黏度黏度是描述材料内部分子流动阻力大小的物理量，反映了材料的粘性性质。

粘弹性材料的黏度随时间与应力的变化而发生变化，可能表现出剪切变稀（shear-thinning）或剪切增稠（shear-thickening）的特性。

3. 流变性能测试方法为了研究粘弹性材料的流变性能，常用的测试方法包括剪切应变控制（shear strain-controlled）和应力控制（stress-controlled）两种方法。

3.1 剪切应变控制剪切应变控制是通过施加一定的剪切应变来测量材料的应力响应。

常用的测试设备包括旋转流变仪和剪切流变仪。

通过在一定剪切速率下施加剪切应变，可以得到材料的应力-应变关系并计算出材料的黏度。

3.2 应力控制应力控制是通过施加一定的剪切应力来测量材料的应变响应。

第7章聚合物的粘弹性7.1基本概念弹：外力→形变→应力→储存能量→外力撤除→能量释放→形变恢复粘：外力→形变→应力→应力松驰→能量耗散→外力撤除→形变不可恢复理想弹性：服从虎克定律σ＝E·ε应力与应变成正比，即应力只取决于应变。

理想粘性：服从牛顿流体定律应力与应变速率成正比，即应力只取决于应变速率。

总结：理想弹性体理想粘性体虎克固体牛顿流体能量储存能量耗散形状记忆形状耗散E＝E(σ.ε.T) E＝E(σ.ε.T.t)聚合物是典型的粘弹体，同时具有粘性和弹性。

E＝E(σ.ε.T.t)但是高分子固体的力学行为不服从虎克定律。

当受力时，形变会随时间逐渐发展，因此弹性模量有时间依赖性，而除去外力后，形变是逐渐回复，而且往往残留永久变形(γ∞)，说明在弹性变形中有粘流形变发生。

高分子材料(包括高分子固体，熔体及浓溶液)的力学行为在通常情况下总是或多或少表现为弹性与粘性相结合的特性，而且弹性与粘性的贡献随外力作用的时间而异，这种特性称之为粘弹性。

粘弹性的本质是由于聚合物分子运动具有松弛特性。

7.2聚合物的静态力学松弛现象聚合物的力学性质随时间的变化统称为力学松弛。

高分子材料在固定应力或应变作用下观察到的力学松弛现象称为静态力学松弛，最基本的有蠕变和应力松弛。

(一)蠕变在一定温度、一定应力的作用下，聚合物的形变随时间的变化称为蠕变。

理想弹性体：σ＝E·ε。

应力恒定，故应变恒定，如图7-1。

理想粘性体，如图7－2，应力恒定，故应变速率为常数，应变以恒定速率增加。

图7-3 聚合物随时间变化图聚合物：粘弹体，形变分为三个部分;①理想弹性，即瞬时响应：则键长、键角提供；②推迟弹性形变，即滞弹部分：链段运动③粘性流动：整链滑移注：①、②是可逆的，③不可逆。

总的形变:(二)应力松弛在一定温度、恒定应变的条件下，试样内的应力随时间的延长而逐渐减小的现象称为应力松弛。

理想弹性体：，应力恒定，故应变恒定聚合物：由于交联聚合物分子链的质心不能位移，应力只能松弛到平衡值。

粘弹性仪器操作指南说明书1. 引言粘弹性仪器是一种用于测试材料粘性和弹性特性的重要工具。

本操作指南旨在为使用者提供准确、详细的操作步骤，以保证实验结果的可靠性和重复性。

2. 基本原理粘弹性是指物质在受到应力作用下的变形能力，而非刚性。

为了测试材料的粘弹性特性，采用了粘弹性仪器。

粘弹性仪器通过施加恒定应力或应变在材料上，观察其回复程度，从而推断出材料的粘弹性参数。

3. 仪器构造粘弹性仪器由以下几个主要部分组成：3.1 加载系统：用于施加恒定应力或应变于样品。

3.2 位移传感器：用于监测样品的变形情况。

3.3 控制台：提供操作界面，用于设定实验参数和数据处理。

4. 操作步骤以下是粘弹性仪器的基本操作步骤：4.1 准备工作：确保仪器和样品都处于合适的工作温度，并检查仪器是否正常工作。

4.2 安装样品：根据实验要求，将样品安装在仪器的夹具上，并确保样品处于水平状态。

4.3 设定实验参数：根据实验要求，在控制台上设定合适的测试速度、应力或应变范围等参数。

4.4 开始测试：点击开始按钮，仪器将开始施加应力或应变于样品，并同时记录样品的变形情况。

4.5 数据处理：根据实验结果进行相关的数据处理，如绘制应力-应变曲线、计算材料的粘性参数等。

4.6 清洁和保养：测试完成后，及时清洁仪器和夹具，并储存于适当的条件下。

5. 实验注意事项为确保实验结果的准确性和安全性，请注意以下事项：5.1 样品准备：样品应具有一定的代表性，并符合实验要求。

准备之前应先熟悉样品的特性和处理方法。

5.2 仪器校准：定期进行仪器校准以保证测试结果的准确性。

5.3 安全操作：操作过程中，应注意安全操作，避免损坏仪器或造成人身伤害。

5.4 数据处理：在进行数据处理时，应仔细检查数据的准确性，并选择合适的统计方法进行分析。

5.5 结果解释：在解释实验结果时，应考虑其他因素的影响，并结合相关领域的理论知识进行综合分析。

6. 常见问题及解决方法以下是一些常见的问题及相应的解决方法：6.1 样品材料失效：如样品在测试过程中出现失效，应重新选择合适的材料进行测试。

第7 章聚合物的粘弹性形变对时间不存在依赖性εσE =虎克定律理想弹性体外力除去后完全不回复dt d εηγησ==.牛顿定律理想粘性体弹性与粘性弹性粘性储能性可逆性σ与ε的关系与t 关系瞬时性依时性储存耗散回复永久形变εσE =dt d εηγησ==.虎克固体牛顿流体粘弹性力学性质兼具有不可恢复的永久形变和可恢复的弹性形变小分子液体–粘性小分子固体–弹性在时间内，任何物体都是弹性体在时间内，任何物体都是粘性体在的时间范围内，任何物体都是粘弹体超短超长一定高分子材料具有显著的粘弹性粘弹性分类静态粘弹性动态粘弹性蠕变、应力松弛滞后、内耗7.1 粘弹性现象7.1.1 蠕变（creep)在一定的温度下，软质PVC丝钩一定的砝码，会慢慢伸长蠕变：指在一定的温度和较小的恒定外力作用下，材料的形变随时间的增加而逐渐增大的现象蠕变反映了材料的尺寸稳定性及长期负荷能力从分子运动和变化的角度分析线性PVC的形变—时间曲线，除去外力后，回缩曲线？11E σε=1ε1t 2t t键长和键角发生变化引起，形变量很小，瞬间响应σ：应力E 1：普弹形变模量1.普弹形变链段运动使分子链逐渐伸展发生构象变化引起τ：松弛时间，与链段运动的粘度η2和高弹模量E 2有关，τ＝η2/ E 2)1(/22τσεt eE --=2ε1t t2t 2.高弹形变3ε2t 1t t外力作用造成分子间的相对滑移（线型高聚物）t33ησε=η3——本体粘度3.粘性流动t eE E t t 3/21321)1()(ησσσεεεετ+-+=++=-线型高聚物的蠕变曲线总应变交联聚合物的蠕变曲线1.由于分子链间化学键的键合，分子链不能相对滑移，在外力作用下不产生粘性流动，蠕变趋于一定值2. 无粘性流动部分，能完全回复T<T g 时，主要是()，T>T g 时，主要是()A ε1B ε2C ε3三种形变的相对比例依具体条件不同而不同下列情况那种形变所占比例大？A B聚合物蠕变的危害性蠕变降低了聚合物的尺寸稳定性抗蠕变性能低不能用作工程塑料如：PTFE不能直接用作有固定尺寸的材料硬PVC抗蚀性好，可作化工管道，但易蠕变影响蠕变的因素1.温度2.外力3.分子结构蠕变与T，外力的关系温度外力蠕变T过低外力过小T过高外力过大T g附近适当外力很小很慢，不明显很快，不明显明显（链段能够缓慢运动)23℃时几种高聚物蠕变性能10002000（％）小时2.01.51.00.512345t链的柔顺性主链含芳杂环的刚性高聚物，抗蠕变性能较好12345聚苯醚PCABS(耐热)POM尼龙如何防止蠕变？◆交联橡胶通过硫化来防止由蠕变产生不可逆的形变◆结晶微晶体可起到类似交联的作用◆提高分子间作用力7.1.2 应力松弛(stress relaxation)在一定温度、恒定应变的条件下，试样内的应力随时间的延长而逐渐减小的现象应力松弛的本质加力链段运动使分子链间相对位置的变化分子重排，以分子运动来耗散能量，从而维持一定形变所需要的力逐渐减小交联聚合物和线形聚合物的应力松弛t交联线性高聚物的应力松弛曲线t不同温度下的应力松弛曲线应力松驰与温度的关系温度过高应力松驰很快温度过低内摩擦力很大，应力松驰极慢T g 附近应力松驰最为明显123应力松弛的应用对密封制件，应力松弛行为决定其使用寿命高分子制件加工中，应力松弛行为决定残余应力的大小不变的量变化的量蠕变应力松弛蠕变与应力松弛比较温度力形变根本原因高分子链的构象重排和分子链滑移应力温度形变动态粘弹性在交变应力或交变应变作用下材料的力学行为σωtπ2πεωtδεωtδ正交变化的应力：t sin )t (0ωσσ=无相位差，无能量损耗理想弹性体tsin )t (0ωεε=有相位差，功全部损耗成热理想粘性液体)2-t sin( )t (0πωεε=相位差δ，损耗部分能量)-t sin( )t (0δωεε=聚合物(粘弹性)高聚物在交变应力作用下的应变变化落后于应力变化的现象tt o ωσσsin )(=)sin()(δωεε-=t t o 0<δ<π/2滞后现象原因链段运动时受到内摩擦阻力, 外力变化时,链段运动跟不上外力的变化内摩擦阻力越大，δ 也就越大，滞后现象越严重外力对体系做的功每次形变所作的功= 恢复形变时所作的功无滞后时没有功的消耗每一次循环变化会有功的消耗，称为内耗有滞后时产生形变提供链段运动时克服内摩擦阻力所需要的能量滞后现象的危害σεσ0ε1拉伸硫化橡胶拉伸—回缩应力应变曲线拉伸曲线下面积为外力对橡胶所作的功回缩曲线下面积为橡胶对外力所作的功滞后环面积越大,损耗越大ε0回缩ε2面积之差损耗的功δεπσsin o o W =∆δ :力学损耗角,常用tanδ来表示内耗大小)]dt-t cos(t)[sin ()t (d )t (W Δ020200δωωεωσεσωπωπ⎰⎰==σεσ0回缩拉伸内耗角δεπσsin o o W =∆δ=0，△W=0,所有能量都以弹性能量的形式存储起来滞后的相角δ决定内耗δ=900，△W→max , 所有能量都耗散掉了滞后和内耗对材料使用的利弊？用作轮胎的橡胶制品要求内耗小（内耗大，回弹性差）隔音材料和吸音材料要求在音频范围内有较大的力学损耗防震材料要求在常温附近有较大的力学损耗温度内耗很高很低T g 附近1. 温度影响滞后和内耗的因素高小小小小大大2.外力变化的频率高聚物的内耗与频率的关系频率 内耗很高很低适中小小小小大大橡胶品种内耗顺丁丁苯丁腈3.内耗与分子结构的关系对于作轮胎的橡胶，则选用哪种？内耗大的橡胶，吸收冲击能量较大，回弹性较差较小较大较大7.1.3 粘弹性参数静态粘弹性蠕变应力松弛模量柔量应力，应变与时间的关系模量、柔量与时间的关系蠕变柔量)()(σεt t D =应力松弛模量)()(εσt t E =tsin (t)0ωεε=t cos sin t sin cos (t)00ωδσωδσσ+=)t sin( (t)0δωσσ+=δεσcos '00=E δεσsin "00=E E ′—储能模量，反映材料形变时的回弹能力（弹性）E ″—耗能模量，反映材料形变时内耗的程度（粘性）1.力学损耗角,tg δ动态粘弹性2.动态模量用复数模量的绝对值表示（绝对模量）2''2'*||E E E E +==通常E ″＜＜E ′，常直接用E ′作为材料的动态模量。

流体动力学中的粘弹性流体研究引言流体力学是研究流体运动规律的科学领域，其中粘弹性流体是一种特殊的流体，具有既有液体的流动性，又具有可变形的固体的特性。

粘弹性流体在工程和科学研究中具有重要应用价值，对其进行深入研究有助于我们更好地理解和掌握流体动力学的基本原理。

本文将介绍粘弹性流体的基本概念和特性，并介绍流体动力学中的粘弹性流体研究的主要内容和方法。

粘弹性流体的定义和特性粘弹性流体是介于固体和液体之间的一类流体。

与牛顿流体（如水和空气）不同，粘弹性流体在外力作用下不仅会流动，还会发生变形。

粘弹性流体的主要特性包括粘度、弹性、流变性和记忆效应。

粘度粘度是粘弹性流体的一种基本特性，它描述了流体内部的黏性阻力。

粘度可以分为静态粘度和动态粘度两种。

静态粘度指的是流体在不应变条件下的黏性阻力，动态粘度则指的是流体在受到应变时的黏性阻力。

粘度可用来描述流体的流动阻力大小，常用单位是帕斯卡·秒(Pa·s)。

弹性粘弹性流体的弹性是指其在受力作用下会发生恢复变形的特性。

与刚体不同，粘弹性流体在受到外力后会发生弹性变形，当外力去除时会恢复到原始状态。

粘弹性流体的弹性可用弹性模量来描述，常用单位是帕斯卡(Pa)。

流变性粘弹性流体的流变性是指其在外力作用下会发生非线性变形的特性。

由于流体具有粘度和弹性，其应力-应变关系不遵循线性规律，而呈现出非线性的行为。

流变性可用流变学来研究和描述。

记忆效应粘弹性流体的记忆效应是指其在经历过一定变形后，会在一定的时间范围内保持相同的应力-应变关系。

这使得粘弹性流体具有一定的时间依赖性。

记忆效应是粘弹性流体独特的特性之一。

粘弹性流体的研究内容和方法在流体动力学中，粘弹性流体的研究主要集中在以下几个方面：流变学、模型和仿真、实验测量和应用。

流变学研究流变学是研究粘弹性流体变形和流动规律的学科。

通过建立流变学模型来描述粘弹性流体的应力-应变关系，从而深入了解粘弹性流体的流变性质。