在连续介质力学中,时变黏度(time-dependent viscosity)是指流体的黏度作为时间函数发生改变的属性。其最常见的类型为触变性(thixotropy),即流体在持续的剪切作用下黏度随时间降低;与之相反的则是震凝性(rheopecty),即黏度随时间增加。
触变性流体
部分非牛顿假塑性的幂律流体表现出时变黏度特性以及非线性的应力-应变行为,其承受剪應力的时间越长,黏度越低。触变性流体在剪切率发生阶跃变化时,需要一定时间才能达到黏度平衡。当触变性流体受到的剪切作用超过特定阈值时,会导致流体微观结构破裂并表现出剪切稀化的特性。
在静态条件下显得浓稠(高黏度)的某些凝胶或流体,在受到摇晃、搅拌或其他应力作用时会变稀并开始流动。当应力停止后,经过一段时间它们会恢复至较高黏度的状态。某些触变性流体(如番茄酱)能几乎瞬间恢复到凝胶状态,被称为假塑性流体。其他流体(如酸奶)则需要长得多的时间,并能变得几乎呈现固态。许多凝胶和胶体属于触变性材料,在静止时形态稳定,但在受到搅动时会变得越来越易于流动。
示例与应用
人体中的细胞质、骨骼关节间的滑液以及基质均具有触变性,精液亦是如此。某些种类的蜂蜜(如欧石楠蜂蜜)在特定条件下也会表现出触变性。
部分黏土(包括膨润土与蒙脱石)具有触变性,洞穴中发现的某些黏土沉积物同样如此(水流缓慢的地下溪流往往将细粒沉积物分层堆积成泥岸,这些泥岸最初看似干燥坚实,但在被挖掘或以其他方式扰动时会变得潮湿呈糊状)。岩土工程中使用的钻井液具有触变性。
诸如触变成型(thixomoulding)等半固态铸造工艺极大地利用了某些合金(多为轻金属,如铋)的触变属性。在特定温度范围内经过适当处理后,这些合金可以半固态被注入模具,与常规注塑成型工艺相比,所得铸件的收缩率更低且具有其他优越性能。
电子制造业印刷工艺中使用的焊锡膏属于触变性材料。
许多种类的涂料与油墨(例如絲網印刷纺织品印花中使用的)表现出触变性。在许多情况下,人们希望油墨或涂料能够足够快速地流动以形成均匀的涂层,随后又必须抵抗进一步流动(若在垂直表面上发生流动则会导致流挂)。能够快速恢复高黏度的触变性油墨常用于CMYK类印刷工艺;这对于保护网点结构以实现准确的色彩还原而言是必要的。
螺纹锁固胶是一种发生厌氧固化的触变性胶黏剂。
触变性被用作诸如那不勒斯聖雅納略血液液化等神迹的科学解释。
触变性流体的其他示例还包括明胶、起酥油、鮮奶油、黄原胶水溶液、含水氧化铁凝胶、果胶凝胶、氢化蓖麻油、熔融轮胎橡胶中的炭黑悬浮液、许多絮凝悬浮液以及多种胶体悬浮液。
震凝性流体
作为触变性的镜像反面,震凝性流体属于一种更为罕见的非牛顿流体类别,表现出黏度随时间增加的特性;它们在受到摇晃或搅拌时会变稠或凝固。其承受持续剪力的时间越长,黏度变得越高,这是因为震凝性流体的微观结构会在持续剪切下发生重组(可能由于剪切诱发结晶)。
示例与应用
震凝性流体的示例包括部分石膏浆料、打印机墨水以及润滑剂。
目前学术界仍在对震凝性材料展开积极研究,特别是在减震的潜在用途方面。除了显而易见的潜在军事应用外,在从体育用品、运动鞋到跳伞和汽车安全等广泛的领域中,震凝性衬垫与装甲可能比目前使用的传统材料具有显著优势。
通过对遲滯現象物理学的进一步研究,可以对震凝性及其潜在用途获得更多深刻理解。
相关
- 流體動力學
- 黏度
- 震凝性:流体承受剪切力的时间越长,黏度越高。一种时变剪切增稠行为。
- 触变性:流体承受剪切力的时间越长,黏度越低。一种时变剪切稀化行为。
- 剪切增稠:类似于震凝性,但不具有时间依赖性。
- 剪切稀化:类似于触变性,但不具有时间依赖性。
参考
文献
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