簡介

　　物質(zhì)在外力作用下的變形和流動性質(zhì),主要指加工過程中應力形變形變速率和粘度之間的聯(lián)系英文術(shù)語:Rheological,Flow Property,Fluidity,

　　1.阿侖尼烏斯方程

　　微分式：

　　指數(shù)式：

　　積分式：

　　式中，A稱為指前因子或表觀頻率因子，其單位與k相同;Ea稱為阿累尼烏斯活化能(簡稱活化能)，其單位為kJmol-1。上述三式是定量表示k與T之間的關(guān)系。常用于計算不同溫度T所對應之反應的速率常數(shù)k(T)以及反應的活化能Ea。阿倫尼烏斯方程只能用于基元反應或有明確級數(shù)而且k隨溫度升高而增大的非基元反應。若溫度變化過大，則阿倫尼烏斯方程會產(chǎn)生誤差，這時，下列方程更好地符合實驗數(shù)據(jù)

　　k = ATBe-E/RT

　　從分子運動觀點看，當大分子熱運動隨溫度升高而增加時，熔體中分子間的空穴(即自由體積)也隨之增加和膨脹，使流動阻力減小。要是以粘度7表示阻力的大小，則在溫度變化不大的范圍內(nèi)熔體粘度與溫度 之間的關(guān)系可用Arrhe-nius方程表示：

　　η=AeEa/RT

　　式中A是常數(shù)，R是氣體常數(shù)， 是絕對溫度，Ea 為流動活化能，它既是大分子向空穴躍遷時克服周圍分子的作用所需要的能量，也是熔體粘度對溫度敏感程度的量度，即Ea越大，粘度對溫度的變化越敏感。(即流動活化能增大，流體的流動性變差。反之，流動活化能減小，流體的流動性變好)

　　將Arrhe-nius方程兩邊取對數(shù)，得到：

　　lgη=lgA+Ea/2.303RT

　　然后根據(jù)數(shù)據(jù)作lgη—1/T圖，從所得直線的斜率可計算出Ea.

　　特性概述

　　流體在受到外部剪切力作用時發(fā)生變形(流動).接內(nèi)部相應要產(chǎn)生對變形的抵抗，并以內(nèi)摩擦的形式表現(xiàn)出來。所有流體在有相對運動時都要產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，這是流體的一種固有物理屬性，稱為流體的粘滯性或粘性。牛頓內(nèi)摩擦定律或牛頓剪切定律對流體的粘性作了理論描述，即流體層之間單位面積的內(nèi)摩擦力或剪切應力與速度梯度或剪切速率成正比。用公式表示如下：

　　τ=μ(dvx/dy)= μγ

　　上式又稱為牛頓剪切應力公式，式中的比例系數(shù)μ就是代表流體粘滯性的物理量，反映了流體內(nèi)摩擦力的大小，稱為流體的動力粘性系數(shù)或粘度。流體的粘度與溫度有密切的關(guān)系。液體的粘度隨著溫度升高而下降，而氣體的粘度則隨著溫度的升高而升高。在物理意義上，牛頓剪切應力公式表明有一大類流體，它們的剪切應力與速度梯度呈線性關(guān)系。這類流體被稱為牛頓流體。另一方面，如果上式的函數(shù)關(guān)系是非線性的，所描述的流體就被稱為非牛頓流體。 .

　　為了方便描述非牛頓型流體，人們提出了廣義的牛頓剪切應力公式：

　　τ=η(dvx/dy)= ηγ

　　系數(shù)η同樣反映流體的內(nèi)摩擦特性，常常稱為廣義的牛頓粘度。對牛頓型流體，η當然就是粘度 ，屬于流體的特性參數(shù)。對非牛頓型流體，問題就變得復雜起來，η不再是常數(shù)，它不僅與流體的物理性質(zhì)有關(guān)，而且還與受到的剪切應力和剪切速率有關(guān)，即流體的流動情況要改變其內(nèi)摩擦特性。人們提出了幾個描述非牛頓型流體內(nèi)摩擦特性的流變方程模型。如Ostwald—dewaele的冪律模型，Ellis模型，Carreau模型，Bingham模型等。其中冪律模型最為常用。冪律模型認為，非牛頓型流體的粘度函數(shù)是速度梯度或剪切速率絕對值的一個指數(shù)函數(shù)，其表達式為:

　　1. τ=K(dvx/dy)n= Kγn

　　或者

　　2. η=K(dvx/dy)n= Kγn-1

　　式中，K為稠度系數(shù)，N·S”/m ; 為流體特性指數(shù)，無因次，表示與牛頓流體偏離的程度。

　　由2式可見：

　�、� 當n=1時，η=K，即K 具有粘度的因次.此時流體為牛頓流體，可用以檢查所得結(jié)果正

　　確與否;

　�、� 當η<1時，為假塑性或剪切變稀流體;

　　③ 當η>l時，為膨脹塑性或剪切增稠流體;

　�、� 1式從使用觀點看，僅有兩參數(shù)，因此被廣泛應用，工業(yè)上80%以上的非牛頓流體均可用此模型計算。

　　流體類型

　　在一定的溫度下，流體在外力的作用下呈層流時，流速不同的層間產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，將阻礙液層的相對運動，層流間剪切應力(τ)與流速梯度(dv/dy)之間呈一復雜的關(guān)系，并隨著時間、溫度、流體性質(zhì)和流速不同而產(chǎn)生很大的差別。反映這一關(guān)系的基本數(shù)學公式就是牛頓流動定律：

　　τ=η(dvx/dy)

　　其中，τ——剪切應力(平行流動方向的單位面積上的內(nèi)摩擦力)

　　dv/dy——剪切速率(垂直流動方向的流速梯度)

　　η——粘度(動力粘滯系數(shù))

　　流體的剪切應力與剪切速率之間的變異關(guān)系用圖形表示則稱為流變曲線。

　　塑性流體是非牛頓流體中的一種，其特點是剪切應力小于某一數(shù)值τ。時，就不能流動，大于τ。后才開始流動;假塑性流體也是非牛頓流體一種，其流動特點是一旦施加外力就能流動，其粘度隨著剪切速率的增加而減小，流動曲線為通過坐標原點凸向剪切應力軸的曲線;牛頓流體在流變曲線上，剪切應力與剪切速率間關(guān)系為一通過原點的直線關(guān)系;膨脹性流體也是非牛頓流體中的另一種類型，其特點是一加外力就能流動，粘度隨著剪切速率增加而增大，流動曲線為通過坐標原點凹向剪切應力軸的曲線。

　　假塑性分析

　　屈服——假塑性是指流體在較小外力作用下，不發(fā)生流動，只產(chǎn)生有限的彈性變形，只有當外力大于某值時，流體才發(fā)生流動，使流體發(fā)生流動時對應的剪切應力稱之為屈服應力。

　　觸變性分析

　　觸變性表述這樣的現(xiàn)象：物體經(jīng)長時間高剪切從高粘凝膠態(tài)變?yōu)檎扯鹊偷枚嗟娜苣z。觸變性的一個重要標志是物體保持靜止后有重新稠化的可逆過程。這類流體的粘度不僅隨剪切速率變化，而且在恒定的剪切速率下，它的粘度也隨著時間的推移而下降，并達到一個常數(shù)值。當剪切作用停止后，粘度又隨時間的推移而增高，大多數(shù)觸變性流體，經(jīng)過幾小時或更長的時間，可以恢復到初始的粘度值。它的曲線形態(tài)表現(xiàn)為，在流動曲線圖中“上行曲線”不再與“下行曲線”重疊，而是兩條曲線之間形成了一個封閉的“梭型”觸變環(huán)。這個“梭型”觸變環(huán)的面積大小決定著觸變特性的量度，它表示破壞觸變結(jié)構(gòu)所需要的能量。

　　震凝流體

　　流體可分為牛頓流體和非牛頓流體。其中非牛頓流體還可分為時間獨立性流體(a.假塑體，b.膨脹體，C.塑性假塑體，d.塑性膨脹體)、時間相關(guān)性流體(觸變物質(zhì)和振凝性流體)以及粘彈性流體(線性粘彈體和非線性粘彈體)

　　非牛頓流體包括剪切變稠型(脹流型)、剪切變稀型、假塑型、塑性型、觸變型以及震凝型流體等。剪切變稠型：粘度隨流速梯度增大而增大，這是因為當顆粒濃度很高并接近最緊密排列時，兩層間的相對運動將使顆粒偏離最緊密排列，體積有所增加，需消耗額外能量�；蛘咭驗楫斄魉僭黾佣�使顆粒動能增高時，可能越過能壘Eb 到達第一極小 Em1 而發(fā)生絮凝，使粘度增大。

　　剪切變稀型：粘度隨流速梯度增大而減小。這是因為在h 較大時，位能曲線上有一個第二極小 Em2，它將導致顆粒間形成較弱的絮凝，而流速增大時將破壞這種絮凝使粘度減小。也可能因為顆粒為棒狀或片狀，靜止時顆粒運動受阻，當受到剪切時，顆粒因形成隊列而粘度減小。

　　假塑型

　　粘度隨流速梯度增大而減小，它的剪切變稀的性質(zhì)更為突出。

　　塑性型

　　該類流體由于絮凝很強而形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其特點是存在屈服應力τB ，τ <τB 時流體僅發(fā)生彈性形變。當τ >τB 時，網(wǎng)絡(luò)破壞并開始流動，剪切應力隨流速梯度而變化。

　　觸變型

　　在剪切作用下可由粘稠狀態(tài)變?yōu)榱鲃有暂^大的狀態(tài)，而剪切作用取消后，要滯后一段時間才恢復到原來狀態(tài)。這是由于絮凝網(wǎng)絡(luò)經(jīng)剪切破壞后，重新形成網(wǎng)絡(luò)需要一定時間。

　　震凝型

　　該流體能在剪切作用下變稠。剪切取消后，也要滯后一段時間才恢復變稀。