Реология

Реология ( / г я ɒ л ə dʒ я / , от греческого ῥέω RHEO , «потока» и -λoγία , -logia , «исследование») является изучением потока вещества, в первую очередь в жидком или газовом состоянии, но также как «мягкие твердые тела» или твердые тела в условиях, когда они реагируют пластическим течением, а не упруго деформируются в ответ на приложенную силу. Реология - это раздел физики, и это наука, которая занимается деформацией и течением материалов, как твердых, так и жидких. ^[1]

Термин « реология» был придуман Юджином Бингхэмом , профессором Лафайет-колледжа , в 1920 году по предложению его коллеги Маркуса Райнера . ^{[2] [3]} Этот термин был вдохновлен афоризм из Симплиции (часто приписывается Гераклит ), Panta Rhei ( πάντα ῥεῖ , «все течет», ^{[4] [5]} и впервые был использован для описания потока жидкостей и деформация твердых веществ. Это относится к веществам , которые имеют сложную микроструктуру, такие как буровые растворы , шламы , суспензии, полимеры и другие стеклообразователи (например, силикаты), а также многие пищевые продукты и добавки, физиологические жидкости (например, кровь) и другие биологические материалы , а также другие материалы, которые принадлежат к классу мягких веществ, таких как продукты питания.

Ньютоновские жидкости можно охарактеризовать одним коэффициентом вязкости для определенной температуры. Хотя эта вязкость меняется с температурой, она не меняется со скоростью деформации . Только небольшая группа жидкостей демонстрирует такую ​​постоянную вязкость. Большой класс жидкостей, вязкость которых изменяется со скоростью деформации (относительной скоростью потока ), называется неньютоновскими жидкостями .

Реология обычно учитывает поведение неньютоновских жидкостей, характеризуя минимальное количество функций, которые необходимы для связи напряжений со скоростью изменения деформации или скорости деформации. Например, вязкость кетчупа можно уменьшить путем встряхивания (или других форм механического перемешивания, когда относительное движение различных слоев материала фактически вызывает снижение вязкости), а вода - нет. Кетчуп - это разжижающий сдвиг материал, такой как йогурт и эмульсионная краска ( латексная краска или акриловая краска в терминологии США ), проявляющий тиксотропность., где увеличение относительной скорости потока вызовет снижение вязкости, например, при перемешивании. Некоторые другие неньютоновские материалы демонстрируют противоположное поведение, реопекту : вязкость возрастает с относительной деформацией, и их называют материалами, загущающими при сдвиге или дилатантными материалами. Поскольку сэр Исаак Ньютон создал концепцию вязкости, изучение жидкостей с вязкостью, зависящей от скорости деформации, также часто называют неньютоновской жидкостной механикой . ^[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 с помощью классической механики жидкости или упругости.

Сфера [ править ]

На практике реология в основном связана с расширением механики сплошной среды для характеристики течения материалов, которая демонстрирует сочетание упругого , вязкого и пластичного поведения за счет правильного сочетания упругости и ( ньютоновской ) механики жидкости . Он также связан с установлением прогнозов механического поведения (в непрерывном механическом масштабе) на основе микро- или наноструктуры материала, например, размера молекул и архитектуры полимеров.в растворе или гранулометрический состав в твердой суспензии. Материалы с характеристиками жидкости будут течь под действием напряжения, которое определяется как сила, приходящаяся 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 и внутренними градиентами деформации и скоростями потока. ^{[1] [6] [7] [8]}

Реология объединяет, казалось бы, не связанные друг с другом области пластичности и неньютоновской гидродинамики, признавая, что материалы, подвергающиеся этим типам деформации, неспособны выдерживать напряжение (особенно напряжение сдвига , поскольку деформацию сдвига легче анализировать) в статическом равновесии . В этом смысле твердое тело, подвергающееся пластической деформации, является жидкостью , хотя с этим потоком не связан коэффициент вязкости. Реология гранул - это непрерывное механическое описание гранулированных материалов .

Одна из основных задач реологии состоит в том, чтобы эмпирически установить взаимосвязь между деформациями (или скоростями деформации) и напряжениями с помощью адекватных измерений, хотя перед использованием эмпирических данных также требуется ряд теоретических разработок (таких как обеспечение инвариантов каркаса). Эти экспериментальные методы известны как реометрия и связаны с определением четко определенных реологических функций материала . Такие соотношения затем поддаются математической обработке общепринятыми методами механики сплошных сред .

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

Вязкоупругость [ править ]

• Жидкость и твердость важны в течение длительного времени:
  мы рассматриваем приложение постоянного напряжения (так называемый эксперимент ползучести ):
  • если материал после некоторой деформации в конечном итоге сопротивляется дальнейшей деформации, он считается твердым.
  • если, напротив, материал течет бесконечно, он считается жидкостью
• Напротив, упругое и вязкое (или промежуточное, вязкоупругое ) поведение актуально в короткие промежутки времени ( переходное поведение ):
  мы снова рассмотрим приложение постоянного напряжения: ^[9]
  • если деформационная деформация материала увеличивается линейно с увеличением приложенного напряжения, то 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 при деформации 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 - это поведение, наблюдаемое после того, как материал подвергается пределу текучести :
  материал, который ведет себя как твердое тело при низких приложенных напряжениях, может начать течь выше определенного уровня напряжения, называемого пределом текучести материала. Термин пластичное твердое тело часто используется, когда этот порог пластичности достаточно высок, а жидкость для определения предела текучести используется, когда пороговое напряжение довольно низкое. Однако принципиальной разницы между двумя концепциями нет.

Безразмерные числа [ править ]

Число Деборы [ править ]

На одном конце спектра мы имеем невязкую или простую ньютоновскую жидкость, а на другом конце - твердое тело; таким образом, поведение всех материалов находится где-то посередине между этими двумя концами. Различие в поведении материала характеризуется уровнем и характером эластичности материала 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 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 [ править ]

В механике жидкости , то число Рейнольдса является мерой соотношения от инерционных сил ( ) в вязкие силы ( ) и , следовательно, количественно относительную важность этих двух типов эффекта при заданных условиях потока. При низких числах Рейнольдса преобладают вязкие эффекты и течение является ламинарным , тогда как при высоких числах Рейнольдса преобладает инерция, и течение может быть турбулентным . Однако, поскольку реология касается жидкостей, которые не имеют фиксированной вязкости, но могут изменяться в зависимости от потока и времени, расчет числа Рейнольдса может быть затруднен.${\displaystyle v_{s}\rho }$${\displaystyle {\frac {\mu }{L}}}$

Это одно из самых важных безразмерных чисел в гидродинамике и обычно используется вместе с другими безразмерными числами, чтобы обеспечить критерий для определения динамического подобия . 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:

${\displaystyle \mathrm {Re} ={\frac {\rho {\frac {u_{s}^{2}}{L}}}{\mu {\frac {u_{s}}{L^{2}}}}}={\frac {\rho u_{s}L}{\mu }}={\frac {u_{s}L}{\nu }}}$

куда:

• u _s - средняя скорость потока , [мс ⁻¹ ]
• L - характерная длина, [м]
• μ - (абсолютная) динамическая вязкость жидкости , [Н · см ⁻² ] или [Па · с]
• ν - кинематическая вязкость жидкости:, [м ² с ⁻¹ ]${\displaystyle v={\frac {\mu }{\rho }}}$
• ρ - плотность жидкости , [кг м ⁻³ ].

Измерение [ править ]

Реометры - это инструменты, используемые для определения 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 [ править ]

Реология находит применение в материаловедении , инженерии , геофизике , физиологии , биологии человека и фармацевтике . Материаловедение используется в производстве многих промышленно важных веществ, таких как цемент , краска и шоколад , которые обладают сложными характеристиками текучести. Кроме того, теория пластичности не менее важна для проектирования процессов обработки металлов давлением. Наука о реологии и характеристика вязкоупругих свойств при производстве и использовании полимерных материалов.материалы имеют решающее значение для производства многих продуктов, используемых как в промышленном, так и военном секторах. Изучение свойств текучести жидкостей важно для фармацевтов, занимающихся производством нескольких лекарственных форм, таких как простые жидкости, мази, кремы, пасты и т. Д. Поведение текучести жидкостей при приложении нагрузки имеет большое значение в области фармацевтики. Свойства текучести используются в качестве важных инструментов контроля качества для поддержания превосходства продукта и уменьшения количества вариаций от партии к партии.

Материаловедение [ править ]

Полимеры [ править ]

Можно привести примеры, чтобы проиллюстрировать потенциальное применение этих принципов к практическим проблемам обработки ^[11] и использования 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 стадиях производства.

В вязкоупругих материалах, таких как большинство полимеров и пластиков, наличие жидкоподобного поведения зависит от свойств и, таким образом, зависит от скорости приложенной нагрузки, то есть от того, насколько быстро прикладывается сила. В силиконовом игрушечной « Silly Putty » ведет себя совершенно по- разному в зависимости от скорости времени применения силы. Медленно потяните за него, 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, обычная резина претерпевает стеклование (часто называемое переходом между резиной и стеклованием ). Например, катастрофа космического челнока Challenger была вызвана резиновыми уплотнительными кольцами, которые использовались необычно холодным утром во Флориде значительно ниже температуры стеклования, и поэтому не могли должным образом сгибаться, чтобы образовать надлежащие уплотнения между секциями двух твердотопливных ракетных ускорителей .

Биополимеры [ править ]

Золь-гель [ править ]

С вязкостью от в золе скорректированного в надлежащий диапазон, как оптическое качество стекловолокно и огнеупорное керамическое волокно могут быть сделано , которые используются для волоконно - оптических датчиков и теплоизоляции , соответственно. Механизмы гидролиза и конденсации , а также реологические факторы, которые склоняют структуру к линейным или разветвленным структурам, являются наиболее важными проблемами золь-гель науки и техники.

Геофизика [ править ]

Научная дисциплина геофизика включает изучение течения расплавленной лавы и изучение селевых потоков (жидких оползней). 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 риды . Например, гранит может пластически течь с пренебрежимо малым пределом текучести при комнатной температуре (т. Е. Вязкая текучесть). Длительные эксперименты на ползучесть (~ 10 лет) показывают, что вязкость гранита и стекла в условиях окружающей среды составляет порядка 10 ²⁰ пуаз. ^{[12] [13]}

Физиология [ править ]

Физиология включает изучение многих жидкостей организма, которые имеют сложную структуру и состав и, таким образом, демонстрируют широкий диапазон вязкоупругих характеристик текучести. В частности, существует специальное исследование кровотока, называемое гемореологией . Это исследование свойств потока крови и ее элементов ( плазмы и форменных элементов, включая эритроциты , лейкоциты и тромбоциты ). Вязкость крови определяется вязкостью плазмы, гематокритом.(объемная доля эритроцитов, составляющих 99,9% клеточных элементов) и механическое поведение эритроцитов. Следовательно, механика красных кровяных телец является основным фактором, определяющим свойства кровотока. ^[14]

Пищевая реология [ править ]

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

Загустители или загустители представляют собой вещества, которые при добавлении к водной смеси увеличивают ее вязкость без существенного изменения других ее свойств, таких как вкус. Они обеспечивают консистенцию, повышают стабильность и улучшают суспензию добавленных ингредиентов. Загустители часто используются в качестве пищевых добавок, а также в косметике и средствах личной гигиены . Некоторые загустители представляют собой желирующие агенты , образующие гель . Агенты представляют собой материалы, используемые для загустения и стабилизации жидких растворов, эмульсий и суспензий.. Они растворяются в жидкой фазе в виде коллоидной смеси, которая образует слабосвязную внутреннюю структуру. Пищевые загустители часто основаны либо на полисахаридах ( крахмалы , растительные камеди и пектин ), либо на белках . ^{[17] [18]}

Реология бетона [ править ]

Технологичность бетона и раствора связана с реологическими свойствами свежего цементного теста. 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, обычно добавляют суперпластификаторы для уменьшения кажущегося предела текучести и вязкости свежей пасты. Их добавление значительно улучшает свойства бетона и раствора. ^[19]

Реология наполненного полимера [ править ]

Включение различных типов наполнителей 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 однородного диспергирования наполнителя в полимерной матрице и экономичность процесса за счет добавления стадии компаундирования с другой. 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 эффекта Фарриса . Дополнительным фактором является стрессперенос 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. Таким образом, тип и степень обработки поверхности наполнителя являются дополнительными параметрами, влияющими на реологические свойства и свойства материала наполненных полимерных систем.

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

Реолог [ править ]

Реолог - это междисциплинарный ученый или инженер, изучающий течение сложных жидкостей или деформацию мягких твердых тел. Это не предмет начальной степени; квалификации реолога как таковой нет. Большинство реологов имеют квалификацию в области математики, физических наук (например, химии , физики , геологии , биологии ), инженерии (например, механики , химии , материаловедения, пластмасс и инженерии или гражданского строительства ), медицины или определенных технологий, особенно материалов или 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 путем посещения краткосрочных курсов и вступления в профессиональную ассоциацию (см. Ниже).

См. Также [ править ]

• Бингхэм пластик
• Умереть набухать
• Стеклование
• Жидкость
• Список реологов
• Микрореология
• Реологическая свариваемость термопластов
• Реопектический
• Твердый
• Тиксотропия
• Транспортные явления
• Вязкость
• Межфазная реология

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Поищите реологию в Викисловаре, бесплатном словаре.

• «Истоки реологии: краткий исторический экскурс» Дипака Дорайсвами, DuPont iTechnologies.
• RHEOTEST Medingen GmbH - Краткая история и коллекция реологических инструментов времен Фрица Хепплера
• [1] - О реологии кошек

Общества

• Американское общество реологии
• Австралийское общество реологии
• Британское общество реологии
• Европейское общество реологии
• Французское общество реологии
• Северное реологическое общество
• Румынское общество реологии
• Корейское общество реологии

Журналы

• Прикладная реология
• Журнал механики неньютоновской жидкости
• Журнал реологии
• Rheologica Acta