Реология ( от греч . ῥέω (rhéō) « течение» и -λoγία ( -logia) « изучение » ) — это изучение течения вещества , в первую очередь в жидком ( жидкостном или газообразном ) состоянии, но также в виде «мягких твёрдых тел » или твёрдых тел в условиях, в которых они реагируют пластическим течением, а не деформируются упруго в ответ на приложенную силу.[1] Реология — это раздел физики , который занимается деформацией и течением материалов, как твёрдых, так и жидких. [1]
Термин реология был придуман Юджином С. Бингемом , профессором колледжа Лафайет , в 1920 году по предложению коллеги Маркуса Райнера . [2] [3] Термин был вдохновлен афоризмом Гераклита ( часто ошибочно приписываемым Симплицию ), panta rhei ( πάντα ῥεῖ , «все течет» [4] [5] ) и впервые был использован для описания течения жидкостей и деформации твердых тел. Он применяется к веществам, имеющим сложную микроструктуру, таким как грязи , шламы , суспензии , полимеры и другие стеклообразователи (например, силикаты), а также ко многим продуктам питания и добавкам, телесным жидкостям (например, кровь) и другим биологическим материалам , а также другим материалам, которые относятся к классу мягких веществ, таким как еда.
Ньютоновские жидкости можно охарактеризовать одним коэффициентом вязкости для определенной температуры. Хотя эта вязкость будет меняться 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 объясняет поведение неньютоновских жидкостей, характеризуя минимальное количество функций, необходимых для связи напряжений со скоростью изменения деформации или скоростями деформации. Например, вязкость кетчупа может быть снижена путем встряхивания (или других форм механического перемешивания, когда относительное движение различных слоев в материале фактически вызывает снижение вязкости), но вода не может. Кетчуп является материалом, разжижающимся при сдвиге, как йогурт и эмульсионная краска (термин США латексная краска или акриловая краска ), демонстрирующим тиксотропию , когда увеличение относительной скорости потока вызовет снижение вязкости, например, при перемешивании. Некоторые другие неньютоновские материалы демонстрируют противоположное поведение, реопектию (вязкость увеличивается с относительной деформацией), и называются материалами, загустевающими при сдвиге или дилатантными материалами. Поскольку сэр Исаак Ньютон создал концепцию вязкости, изучение жидкостей с вязкостью, зависящей от скорости деформации, также часто называют механикой неньютоновских жидкостей . [1]
Экспериментальная характеристика реологического поведения материала известна как реометрия , хотя термин реология часто используется как синоним реометрии, особенно экспериментаторами. Теоретические аспекты реологии - это связь между поведением потока/деформации материала и его внутренней структурой (например, ориентацией и удлинением полимерных молекул) и поведением потока/деформации материалов, которые не могут быть описаны классической механикой жидкости или упругостью.
На практике реология в основном занимается расширением механики сплошной среды для характеристики течения материалов, которые демонстрируют комбинацию упругого , вязкого и пластичного поведения путем правильного объединения упругости и ( ньютоновской ) механики жидкости . Она также занимается прогнозированием механического поведения (в масштабе механики сплошной среды) на основе микро- или наноструктуры материала, например, размера молекул и архитектуры полимеров в растворе или распределения размеров частиц в твердой суспензии. Материалы с характеристиками жидкости будут течь при воздействии напряжения , которое определяется как сила на площадь. Существуют различные виды напряжения (например, сдвиг, кручение и т. д.), и материалы могут реагировать по-разному при различных напряжениях. Большая часть теоретической реологии занимается связыванием внешних сил и крутящих моментов с внутренними напряжениями, градиентами внутренних деформаций и скоростями потока. [1] [6] [7] [8]
Реология объединяет, казалось бы, не связанные между собой области пластичности и неньютоновской гидродинамики , признавая, что материалы, подвергающиеся этим типам деформации, не способны выдерживать напряжение (особенно касательное напряжение , поскольку его легче анализировать при сдвиге) в статическом равновесии . В этом смысле твердое тело, подвергающееся пластической деформации , является жидкостью , хотя с этим течением не связан коэффициент вязкости. Гранулярная реология относится к континуальному механическому описанию гранулированных материалов .
Одной из основных задач реологии является установление путем измерения соотношений между деформациями (или скоростями деформации) и напряжениями, 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 с помощью установленных методов механики сплошной среды .
Характеристика потока или деформации, возникающая из простого поля сдвигового напряжения, называется реометрией сдвига (или реологией сдвига). Изучение объемных потоков называется реологией сдвига . Сдвиговые потоки изучать гораздо проще, и поэтому для сдвиговых потоков доступно гораздо больше экспериментальных данных, чем для объемных потоков.
На одном конце спектра у нас есть невязкая или простая ньютоновская жидкость, а на другом конце — жесткое твердое тело; таким образом, поведение всех материалов находится где-то между этими двумя концами. Разница в поведении материалов характеризуется уровнем и природой упругости, присутствующей в материале при его деформации, что переводит поведение материала в неньютоновский режим. Безразмерное число Деборы предназначено для учета степени неньютоновского поведения в потоке. Число Деборы определяется как отношение характерного времени релаксации (которое зависит исключительно от материала и других условий, таких как температура) к характерному времени эксперимента или наблюдения. [3] [10] Малые числа Деборы представляют ньютоновский поток, в то время как неньютоновское (с присутствующими как вязкими, так и упругими эффектами) поведение происходит для чисел Деборы промежуточного диапазона, а большие числа Деборы указывают на упругое/жесткое твердое тело. Поскольку число Деборы является относительной величиной, числитель или знаменатель могут изменить число. Например, очень малое число Деборы может быть получено для жидкости с чрезвычайно малым временем релаксации или очень большим экспериментальным временем.
В механике жидкости число Рейнольдса является мерой отношения инерционных сил ( ) к вязким силам ( ) и, следовательно, количественно определяет относительную важность этих двух типов эффектов для заданных условий потока. При низких числах Рейнольдса преобладают вязкие эффекты, и поток является ламинарным , тогда как при высоких числах Рейнольдса преобладает инерция, и поток может быть турбулентным . Однако, поскольку реология имеет дело с жидкостями, которые не имеют фиксированной вязкости , а могут изменяться в зависимости от потока и времени, расчет числа Рейнольдса может быть сложным.
Это одно из важнейших безразмерных чисел в гидродинамике , которое обычно используется вместе с другими безразмерными числами для предоставления критерия для определения динамического подобия . Когда две геометрически подобные модели потока, возможно, в разных жидкостях с возможно разными скоростями потока, имеют одинаковые значения для соответствующих безразмерных чисел, они называются динамически подобными.
Обычно это дается следующим образом:
где:
Реометры — это приборы, используемые для характеристики реологических свойств материалов, обычно жидкостей, которые являются расплавами или растворами. Эти приборы накладывают определенное поле напряжения или деформацию на жидкость и отслеживают результирующую деформацию или напряжение. Приборы могут работать в стационарном или колебательном потоке, как при сдвиге, так и при растяжении.
Реология имеет приложения в материаловедении , машиностроении , геофизике , физиологии , биологии человека и фармацевтике . Материаловедение используется в производстве многих промышленно важных веществ, таких как цемент , краска и шоколад , которые имеют сложные характеристики текучести. Кроме того, теория пластичности была столь же важна для проектирования процессов формовки металлов. Наука реологии и характеристика вязкоупругих свойств в производстве и использовании полимерных материалов имели решающее значение для производства многих продуктов для использования как в промышленном, так и в военном секторах. Изучение свойств текучести жидкостей важно для фармацевтов, работающих в производстве нескольких лекарственных форм, таких как простые жидкости, мази, кремы, пасты и т. д. Текучесть жидкостей под приложенным напряжением имеет большое значение в области фармацевтики. Свойства текучести используются в качестве важных инструментов контроля качества для поддержания превосходства продукта и снижения вариаций от партии к партии.
Можно привести примеры, иллюстрирующие потенциальное применение этих принципов к практическим проблемам в обработке [11] и использовании резины , 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 успешность методов обработки на промежуточных стадиях производства.
В вязкоупругих материалах, таких как большинство полимеров и пластиков, наличие жидкоподобного поведения зависит от свойств и, таким образом, изменяется в зависимости от скорости приложения нагрузки, т. е. от того, как быстро прикладывается сила. Силиконовая игрушка « Silly Putty » ведет себя совершенно по-разному в зависимости от скорости приложения силы. Потяните ее медленно, и она продемонстрирует непрерывный поток, аналогичный тому, который наблюдается в высоковязкой жидкости. С другой стороны, при сильном и прямом ударе она разбивается, как силикатное стекло .
Кроме того, обычная резина подвергается стеклованию (часто называемому переходом резина-стекло ). Например, катастрофа космического челнока Challenger была вызвана резиновыми уплотнительными кольцами, которые использовались при температуре значительно ниже температуры стеклования необычно холодным утром во Флориде и, таким образом, не могли достаточно сгибаться, чтобы сформировать надлежащие уплотнения между секциями двух твердотопливных ракетных ускорителей .
При вязкости золя , отрегулированной в нужном диапазоне, можно вытягивать как оптическое стекловолокно, так и огнеупорное керамическое волокно, которые используются для волоконно-оптических датчиков и теплоизоляции соответственно. Механизмы гидролиза и конденсации , а также реологические факторы, которые смещают структуру в сторону линейных или разветвленных структур, являются наиболее важными вопросами науки и технологии золя-геля .
Научная дисциплина геофизика включает в себя изучение течения расплавленной лавы и изучение потоков обломков (текучих грязевых потоков). Эта дисциплинарная ветвь также имеет дело с твердыми материалами Земли, которые проявляют текучесть только в течение длительных временных масштабов. Те, которые проявляют вязкое поведение, известны как реиды . Например, гранит может течь пластично с пренебрежимо малым пределом текучести при комнатных температурах (т.е. вязкое течение). Длительные эксперименты по ползучести (~10 лет) показывают, что вязкость гранита и стекла в условиях окружающей среды составляет порядка 1020 пуаз . [12] [13]
Физиология включает в себя изучение многих телесных жидкостей, которые имеют сложную структуру и состав, и, таким образом, демонстрируют широкий спектр вязкоупругих характеристик потока. В частности, существует специализированное исследование потока крови, называемое гемореологией . Это изучение свойств потока крови и ее элементов ( плазмы и форменных элементов, включая эритроциты , лейкоциты и тромбоциты ). Вязкость крови определяется вязкостью плазмы, гематокритом (объемной долей эритроцитов, которые составляют 99,9% клеточных элементов) и механическим поведением эритроцитов. Таким образом, механика эритроцитов является основным фактором, определяющим свойства потока крови. ( Стекловидное тело глаза является объектом реологических наблюдений, особенно во время исследований возрастного разжижения стекловидного тела, или синерезиса .) [14]
Ведущей характеристикой гемореологии является истончение сдвига в стационарном сдвиговом потоке. Другие неньютоновские реологические характеристики, которые может демонстрировать кровь, включают псевдопластичность , вязкоупругость и тиксотропию . [15]
Существуют две основные гипотезы, объясняющие прогнозы кровотока и реакции на истончение сдвига . Эти две модели также пытаются продемонстрировать движущую силу обратимой агрегации эритроцитов, хотя механизм все еще обсуждается. Существует прямое влияние агрегации эритроцитов на вязкость крови и циркуляцию. [16] Основы гемореологии также могут предоставить информацию для моделирования других биологических жидкостей. [15] Гипотеза мостиков или «перекрестных мостиков» предполагает, что макромолекулы физически сшивают соседние эритроциты в структуры столбиков. Это происходит путем адсорбции макромолекул на поверхности эритроцитов. [15] [16] Гипотеза истощенного слоя предполагает противоположный механизм. Поверхности эритроцитов связаны вместе градиентом осмотического давления, который создается перекрытием слоев истощения. [15] Эффект тенденции к агрегации столбиков можно объяснить концентрацией гематокрита и фибриногена в реологии цельной крови. [15] Некоторые методы, используемые исследователями, включают оптический захват и микрофлюидику для измерения взаимодействия клеток in vitro. [16]
Было показано, что изменения вязкости связаны с такими заболеваниями, как повышенная вязкость, гипертония, серповидноклеточная анемия и диабет. [15] Гемореологические измерения и технологии геномного тестирования выступают в качестве профилактических мер и диагностических инструментов. [15] [17]
Гемореология также коррелирует с эффектами старения, особенно с нарушением текучести крови, и исследования показали, что физическая активность может улучшить сгущение реологии крови. [18]
Многие животные используют реологические явления, например, песчаные рыбы , которые используют зернистую реологию сухого песка, чтобы «плавать» в нем, или наземные брюхоногие моллюски , которые используют слизь улитки для адгезивного передвижения . Некоторые животные производят специализированные эндогенные сложные жидкости , такие как липкая слизь, вырабатываемая бархатными червями для иммобилизации добычи, или быстро загустевающая подводная слизь, выделяемая миксинами для отпугивания хищников. [19]
Реология продуктов питания важна при производстве и переработке таких продуктов, как сыр [20] и джелато . [21] Адекватная реология важна для получения удовольствия от многих обычных продуктов, особенно в случае соусов [22] , заправок [23] , йогурта [24] или фондю [25] .
Загустители , или сгустители, представляют собой вещества, которые при добавлении в водную смесь увеличивают ее вязкость , не изменяя существенно другие ее свойства, такие как вкус. Они обеспечивают тело, повышают стабильность и улучшают суспензию добавленных ингредиентов. Загустители часто используются в качестве пищевых добавок , а также в косметике и средствах личной гигиены . Некоторые загустители являются гелеобразующими агентами , образующими гель . Агенты представляют собой материалы, используемые для загущения 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 ( крахмалах , растительных камедях и пектине ), либо на белках . [26] [27]
Обрабатываемость бетона и раствора связана с реологическими свойствами свежего цементного теста. Механические свойства затвердевшего бетона увеличиваются, если в бетонной смеси используется меньше воды, однако уменьшение соотношения вода-цемент может снизить простоту смешивания и нанесения. Чтобы избежать этих нежелательных эффектов, обычно добавляют суперпластификаторы , чтобы снизить кажущийся предел текучести и вязкость свежего теста. Их добавление значительно улучшает свойства бетона и раствора. [28]
Включение различных типов наполнителей в полимеры является распространенным средством снижения стоимости и придания определенных желаемых механических, термических, электрических и магнитных свойств полученному материалу. Преимущества, которые могут предложить наполненные полимерные системы, сопровождаются повышенной сложностью реологического поведения. [29]
Обычно при рассмотрении использования наполнителей приходится искать компромисс между улучшенными механическими свойствами в твердом состоянии с одной стороны и возросшей сложностью переработки расплава, проблемой достижения равномерной дисперсии наполнителя в полимерной матрице и экономичностью процесса из-за дополнительного этапа компаундирования с другой стороны. Реологические свойства наполненных полимеров определяются не только типом и количеством наполнителя, но также формой, размером и распределением размеров его частиц. Вязкость наполненных систем обычно увеличивается с увеличением доли наполнителя. Это можно частично улучшить за счет широкого распределения размеров частиц с помощью эффекта Фарриса . Дополнительным фактором является передача напряжения 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 количество обработки поверхности наполнителя являются дополнительными параметрами, влияющими на реологические и материальные свойства наполненных полимерных систем.
При выполнении реологической характеристики высоконаполненных материалов важно учитывать проскальзывание стенки, поскольку может быть большая разница между фактической деформацией и измеренной деформацией. [30]
Реолог — это междисциплинарный ученый или инженер, который изучает течение сложных жидкостей или деформацию мягких твердых тел. Это не основной предмет для получения степени; квалификации реолога как таковой не существует. Большинство реологов имеют квалификацию в области математики, физических наук (например, химии , физики , геологии , биологии ), инженерии (например , механики , химии , материаловедения, пластиковой инженерии или гражданского строительства ), медицины или определенных технологий, в частности, материалов или продуктов питания . Как правило, небольшое количество реологии может быть изучено при получении степени, но человек, работающий в области реологии, расширит эти знания во время аспирантуры или посещая краткосрочные курсы и присоединяясь к профессиональной ассоциации.
{{cite journal}}
: CS1 maint: DOI inactive as of June 2024 (link)