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流变学(Rheology)的定义

发布时间:2023-08-10
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Malkin指出,流变学是研究材料力与形变之间关系的科学,主要研究材料流动(flow)、形变(deformation)或由力(时间)所导致的效应之间的关系。从这个意义上讲,Newton-Stokes 定律和Hooke定律实际上是流变学的两种极限情况。


每个模型都是采用不同程度的近似来描述(代表)真实材料的特性。Newton- Stokes Hooke对工料来说不够精确,流变学以更严格和更复杂的定律和方程,给出了比经典Newton-Stokes 定律和Hooke定律更好的、更接近实际情况的描述。


Newton-Stokes定Hooke个象学定律考虑物质固有结构和性质。普遍认为,物质是由分子和分子间的空位组成,这意味着现实中的任何物质体都是异质、非均相的。然而实际观测时物质多被看作是一个没有空洞和空位的、均质且连续的物体。在此,需引人空间的观测尺度概念。


当观测尺度足够大时,才可区分单个分子或链段。分子的特征尺寸(其横截面或几个键的长度)约为1nm。也就是说,只有当观测尺度为10nm量级时,才能忽略分子本身的结构。即若想将一个物体视为均一体系,其特征体积的数量级应大于10nm,这就是物理上一个“质点”的实际大小。而哲学或几何上的点是一个无限小或零体积的物体。物理“质点”包含约104个分子或大分子链段。在“质点”的整个体积内,所有分子尺度的涨落是平均的。如果“质点”内的分子数量足够大,可以进行平滑或平均处理。


考虑到物理质点的实际尺度,可以将无穷小量(与几何上的点有关)的数学解析方法用于物理介质中,即基于物理的分析形式外推至尺度无限小。因为几乎所有的实际应用中,极小体积内发生的现象可忽略不计。但对基于物质分子结构解释观测到的宏观事实,了解分子发生了什么变化或如何发生分子间相互作用时,需要通过包含多个分子的微观体积和平均处理来阐述物体的宏观性质,就不能用简单的外推法了。


流变学主要考虑均匀、连续的介质,关注小于10nm的尺度。在更大的尺度上,物体可具有结构并呈非均相特征。例如,一个物体可以是多组分的混合物,且组分间有一定的界面过渡层。填充高分子材料(如添加矿物颗粒的塑料)就是典型的非均相体系,其中填料可形成统计学意义上的或排列规整的结构(如在增强塑料中)。某些大尺度观测中,可将介质视为均相,内部差异平均化,例如许多天文观测,太阳和地球是相当均匀的,而且可以被视为“点”。在其他情况下(如增强塑料),则必须考虑非均相的作用。任何情况下,远远大于特征分子的尺寸才会视为非均相。