[材料的流变性质.doc

4.1流变学的介绍 Webster’s Dictionary定义流变学为 ”材料的流动与形变的研究，其中包含弹性，黏度，和塑性。” 在这章中，我们定义黏度为 “流体分子的吸引力所引起的内在摩擦力，此摩擦力会抵抗流体的流动。” 你的Brookfield黏度计测量此摩擦力，然后作为研究流变学的工具。此章的目的是要使你了解不同形式的流动行为以及使用Brookfield黏度计作为研究流变行为的仪器以帮助你处理任何真实流体的分析。这项信息对于黏度计的使用者提供相当的帮助，特别是对于以黏度测量作为理论和学术方面探讨的研究者而言。 4.2黏度 黏度是测量流体内在摩擦力的所获得的数值。当某一层流体的移动会受到另一层流体移动的影响时，此摩擦力显得极为重要。摩擦力愈大，我们就必须施予更大的力量以造成流体的移动，此力量即称为 ”剪切（shear）”。剪切发生的条件为当流体发生物理性地移动或分散，如倾倒、散布、喷雾、混合等等。高黏度的流体比低黏度的材料需要更大的力量才能造成流体的流动。 牛顿以图4-1的模式来定义流体的黏度。两不同平面但平行的流体，拥有相同的面积”A”，相隔距离”dx”，且以不同流速”V1”和”V2”往相同方向流动，牛顿假设保持此不同流速的力量正比于流体的相对速度或速度梯度，即： F/A ＝ ηdv/dx 其中η与材料性质有关，我们称为”黏度”。 速度梯度，dv/dx，为测量中间层的相对速度，其描述出液体所受到的剪切，我们将它称为”剪速（shear rate）”，以S表示；其单位为时间倒数（sec-1）。 F/A项代表了单位面积下，剪切所造成的合力，称为”剪力（shear stress）”，以F代表；其单位为”达因每平方公分（dyne/cm2）”。 使用这些符号，黏度计可以下列数学式定义： η＝黏度＝F/S＝剪力/剪速 黏度的基本单位为 ”poise”。我们定义一材料在剪力为1达因每平方公分、剪速为1 sec-1下的黏度为100 poise。测量黏度时，你可能会遭遇到黏度的单位为 “Pa˙s” 或 “mPa˙s” 的情况，此为国际标准系统，且有时较被公制命名所接受。1 Pa˙s等于10 poise；1 mPa˙s等于1 cp。 牛顿假设所有的材料在固定温度下，黏度与剪速是没有相关的，亦即两倍的力量可以帮助流体移动两倍的速度。 就我们所知，牛顿的假设只有部分是正确的。 4.3牛顿流体 牛顿称具有此形式流动行为的所有流体，皆称为”牛顿（Newtonian）”，然而这只是你可能遭遇到的流体中的其中一种而已。牛顿流体的特性可参考图4-2；图A显示剪力（F）和剪速（S）之间为线性关系；图B显示在不同剪速下，黏度皆保持一定。典型的牛顿流体为水与稀薄的机油。 上述代表的意义即为在固定温度下，不论你所使用的黏度计型号、转子、转速为何，牛顿流体的黏度皆保持一定。标准Brookfield黏度值为以Brookfield仪器在某一剪速范围内所测之值，这就是为什么牛顿流体可以在所有我们的黏度计型号下操作。牛顿流体明显地为最容易测量的流体－只要拿出你的黏度计并操作它即可。不幸的是，更常见且更复杂的流体－非牛顿流体，我们将在下一节中介绍。 4.4非牛顿流体 非牛顿流体概略的定义为F/S的关系不为常数，亦即当施予不同的剪速，剪力并不随着相同比例变化（或甚至同一方向）。这些流体的黏度会受到不同剪速的影响，同时，不同型号黏度计的设定参数、转子、转速都会影响到非牛顿流体的黏度值。此测量的黏度值称为流体的”表观黏度（apparent viscosity）”，其值为正确的只有当实验的参数值被正确的设定且精准的测得。 非牛顿流体流动可以想象成流体为不同形状和大小的分子所组成，当它们流经彼此，亦即流动发生时，需要多少力量才能移动它们将取决于它们的大小、形状及黏着性。在不同的剪速下，排列的方式将会不同，而且需要更多或更少的合力才能保持运动。 辨别不同非牛顿流体的行为，可由剪速的差异得到流体黏度的变化，常见非牛顿流体的形式包括： 拟塑性的（pseudoplastic）：此形式流体的特性为当剪速增加时，会伴随着流速的减少，如图4-3，其可能为最常见的非牛顿流体。拟塑性流体包括油漆、乳液和各种不同形式的流体。此类流体的行为有时候可称为”shear thinning”。 膨胀性的（diltant）：膨胀性的流体其特性为流速随着剪速的增加而增加，如图4-4。虽然膨胀性流体不如拟塑性流体常见，然而膨胀性流体常可由存在有不会聚集固体的流体中看到，如泥浆、糖果合成物、玉米淀粉类与水的混合物以及沙/水混合物。此类流体的行为也可称为”shear thickenin