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流變學(Rheology)的定義

發布時間:2023-08-10
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Malkin指出,流變學是研究材料力與形變之間關系的科學,主要研究材料流動(flow)、形變(deformation)或由力(時間)所導致的效應之間的關系。從這個意義上講,Newton-Stokes 定律和Hooke定律實際上是流變學的兩種極限情況。


每個模型都是采用不同程度的近似來描述(代表)真實材料的特性。Newton- Stokes Hooke對工料來說不夠精確,流變學以更嚴格和更復雜的定律和方程,給出了比經典Newton-Stokes 定律和Hooke定律更好的、更接近實際情況的描述。


Newton-Stokes定Hooke個象學定律考慮物質固有結構和性質。普遍認為,物質是由分子和分子間的空位組成,這意味著現實中的任何物質體都是異質、非均相的。然而實際觀測時物質多被看作是一個沒有空洞和空位的、均質且連續的物體。在此,需引人空間的觀測尺度概念。


當觀測尺度足夠大時,才可區分單個分子或鏈段。分子的特征尺寸(其橫截面或幾個鍵的長度)約為1nm。也就是說,只有當觀測尺度為10nm量級時,才能忽略分子本身的結構。即若想將一個物體視為均一體系,其特征體積的數量級應大于10nm,這就是物理上一個“質點”的實際大小。而哲學或幾何上的點是一個無限小或零體積的物體。物理“質點”包含約104個分子或大分子鏈段。在“質點”的整個體積內,所有分子尺度的漲落是平均的。如果“質點”內的分子數量足夠大,可以進行平滑或平均處理。


考慮到物理質點的實際尺度,可以將無窮小量(與幾何上的點有關)的數學解析方法用于物理介質中,即基于物理的分析形式外推至尺度無限小。因為幾乎所有的實際應用中,極小體積內發生的現象可忽略不計。但對基于物質分子結構解釋觀測到的宏觀事實,了解分子發生了什么變化或如何發生分子間相互作用時,需要通過包含多個分子的微觀體積和平均處理來闡述物體的宏觀性質,就不能用簡單的外推法了。


流變學主要考慮均勻、連續的介質,關注小于10nm的尺度。在更大的尺度上,物體可具有結構并呈非均相特征。例如,一個物體可以是多組分的混合物,且組分間有一定的界面過渡層。填充高分子材料(如添加礦物顆粒的塑料)就是典型的非均相體系,其中填料可形成統計學意義上的或排列規整的結構(如在增強塑料中)。某些大尺度觀測中,可將介質視為均相,內部差異平均化,例如許多天文觀測,太陽和地球是相當均勻的,而且可以被視為“點”。在其他情況下(如增強塑料),則必須考慮非均相的作用。任何情況下,遠遠大于特征分子的尺寸才會視為非均相。