Transcript скоростью сдвига

ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет
архитектуры и строительства
Исследование
реологических
свойств
2013 г.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Основной закон вискозиметрии – закон Ньютона:
.
τ = ηγ
τ – напряжение сдвига; η – вязкость;
(1)
.
γ – скорость сдвига.
νмакс
2
τ
1
y
α1
3
1
Система, подвергаемая сдвигу
2
Движущая плоскость с
площадью А
3
Неподвижная плоскость
FН

τ   2  Па
A м

Градиент скорости поперек зазора называется скоростью сдвига,
которая выражается в следующем виде:
γ 
dν  м/с
1 

с

dy  м
(2)
В случае с двумя параллельными плоскостями, представленном
на рисунке, это уравнение примет вид:
 
ν макс 1
γ 
с
y
* Точка над γ (гаммой) указывает на то, что скорость сдвига есть
производная по времени от деформации, обусловленной напряжением
сдвига, действующим на тонкий ламинарный слой жидкости
(3)
Деформация твердого тела
Деформация жидкости
dL
τG
 Gtgy  Gγ
dy
dν
τη
 ηγ .
dy
где G – модуль Юнга, который связан с жесткостью твердого тела; τ –
напряжение сдвига; γ=dL/dy – относительная деформация; y – высота
твердого тела.
сдвиговое напряжение в
твердом теле
пропорционально
деформации
сдвиговое напряжение в
жидком теле
пропорционально
скорости деформации
Под действием усилия твердые тела деформируются, а жидкие –
текут.
Параметры G и η в свою очередь в уравнении играют роль
коэффициента, характеризующего главным образом природу тела,
подвергаемого сдвигу.
Вязкость
Вязкость – это свойство жидкости (дисперсной системы) оказывать
сопротивление ее течению под действием сдвига.

τ  Н/м 2
η   -1  Па  с
γ  с

Величина вязкости может зависеть, по крайней мере, от шести
независимых параметров:
η  f(S,T,P,γ ,t,V)
Параметр S – физико-химическая природа вещества
Параметр T – температура вещества
Параметр P – давление вещества
Параметр
γ – скорость сдвига
Параметр t – время или сдвиговая предыстория
Параметр V – электрическое напряжение
Кривые течения
а – кривая течения
ньютоновской жидкости
б – кривая вязкости ньютоновской
жидкости
Классификация материалов по их реологическому поведению
Схема течения различных структур
Классификация материалов по их реологическому поведению
Реологическая
система (жидкость)
Ньютоновская жидкость
Дилатантная
жидкость
Неньютоновская жидкость
Пластичная
жидкость
Псевдопластичная
жидкость
Ньютоновская жидкость
а – кривая течения
ньютоновской жидкости
б – кривая вязкости ньютоновской
жидкости
Неньютоновская жидкость → пластичная жидкость
Пластичная жидкость – жидкость, обладающая вязкопластичными
свойства и с присущей особенностью – пределом текучести.
Неньютоновская жидкость → псевдопластичная жидкость
Псевдопластические
жидкости
–
жидкости,
проявляющие
псевдопластический характер течения при определенных величинах
напряжения и скорости сдвига: вязкость этих жидкостей снижается при
возрастании скорости сдвига
Схема структуры жидкостей в покое и при приложении сдвига
Неньютоновская жидкость → псевдопластичная жидкость
Зависимость напряжения сдвига (а) и вязкости (б) от скорости сдвига
псевдопластичных жидкостей
I – первая ньютоновская область: вязкость η0 еще не зависит от скорости сдвига;
II – область падения вязкости в результате ориентации молекул или частиц;
III – вторая ньютоновская область: вязкость η∞ остается постоянной, не
зависящей от дальнейшего возрастания скорости сдвига.
Неньютоновская жидкость → дилатантная жидкость
Дилатантный характер течения – возрастание вязкости по мере
увеличения скорости сдвига
Тиксотропия
Тиксотропия
–
обратимое
восстановление связей между
дисперсной системе

изотермическое
разрушение
и
частицами в структурированной
-1

A  τγ Па  с

Тиксотропия
Реопексия
Реопексия и тиксотропия – противоположные реологические
характеристики. В состояние покоя жидкости, проявляющие
антитиксотропные, т.е. реопексные свойства, восстанавливают
первоначальный, низкий, уровень вязкости.
Граничные условия
Для получения достоверных данных при
измерении реологических свойств требуется
соблюдение некоторых условий.
• Ламинарное течение
• Установившееся течение
• Отсутствие проскальзывания
• Гомогенность образцов
• Отсутствие физических и
химических изменений в образце
• Отсутствие упругости
Упруго-вязкие свойства жидкости
а – реологические явления не проявляются;
б – вращение вала создает центробежные силы, отбрасывающие жидкость
наружу
в – вращение вала создает нормальные напряжения, превышающие
центробежные, что приводит к вытягиванию жидкости по валу
Абсолютная реометрия (вискозиметрия)
Реометры определяют как «абсолютные реометры», если
результат измерения вязкости может быть выражен в
«абсолютных физических величинах».
η   Н2 с  сила 2 время  Па  с
 м  длина
Существуют следующие требования для измерения абсолютной
вязкости:
• Образец должен быть испытан в таком режиме течения, чтобы
результаты измерений можно было математически обработать, т.е.
течение должно осуществляться в измерительной ячейке реометра,
соответствующей одному из типов измерительных систем. Только в этом
случае могут быть точно рассчитаны напряжение и скорость сдвига, как
у стенок измерительной ячейки, так и в представительных точках
поперек слоя вещества, подвергаемого сдвигу.
• Выбранные условия испытаний должны учитывать те пределы,
которые были ранее отмечены как граничные условия.
ТИПЫ РЕОМЕТРОВ
Ротационные
реометры
(вискозиметры)
отличаются
по
типу
измерительных ячеек: коаксиальные (соосные) цилиндры, конусплоскость, плоскость-плоскость. Работа в ходе курса будет
осуществляться на вискозиметре с измерительной ячейкой –
коаксиальные цилиндры.
ТИПЫ РЕОМЕТРОВ
В абсолютных реометрах применяется два основных варианта геометрии
измерительных систем, которые позволяют:
А – задавать напряжение и определять полученную в результате
величину скорости сдвига; эти приборы называют «реометрами с
контролируемым напряжением, или CS-реометрами»;
Б – задавать скорость сдвига и определять полученное в результате этого
напряжение сдвига; эти приборы называют «реометры с контролируемой
скоростью сдвига, или CR-реометры»;
В реометрах с контролируемым напряжением (CS) используется
измерительная система типа Серле, а в реометрах с контролируемой
скоростью сдвига (CR) – система Куэтта.
Принцип работы реометров – CS-реометр
Внутренний цилиндр, ротор, вращается мотором. Момент вращения на
валу мотора может быть предварительно задан: он линейно зависит от
поданной электроэнергии. Сопротивление образца в ячейке крутящему
моменту или напряжению сдвига позволяет ротору вращаться только
при такой скорости (скорости сдвига), которая обратно
пропорциональна вязкости данного образца.
Принцип работы реометров – CR-реометр
Сравнение CS- и CR-реометров
Большинство
CS-реометров
обеспечивают
наиболее
высокую
чувствительность и выявляют различия между подобными образцами
при очень низких скоростях сдвига, при которых более простые
вискозиметры не могут дать удовлетворительного результата.
Сравнение CS- и CR-реометров
• CS-реометры превосходят CR-реометры при испытании жидкостей,
характер которых сильно отличается от ньютоновских.
• CS-реометры превосходят CR-реометры при испытаниях образцов
определенного реологического поведения, а именно, таких, которые
проявляют характер течения, свойственный как твердому, так и вязкому
телу в зависимости от скорости сдвига и сдвиговой предыстории.
Сравнение CS- и CR-реометров
Резюмируя сказанное, можно
прийти к заключению, что CSреометры по сравнению с CRреометрами/вискозиметрами дают
возможность более широкого и
глубокого изучать внутренней
структуры материалов. Одним из
важных достоинств CR-реометра
заключается в том, что их стоимость
значительно меньше многоцелевых
CS-реометров.
Последние модели реометров
могут работать как в CS-, так и в CRрежиме. Они позволяют проводить
точные измерения предела текучести
в режиме CS, автоматически
переходить при любом заданном
пороговом напряжении в режим CR.
ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет
архитектуры и строительства
Спасибо за внимание!
2013 г.