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黏弹性

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黏弹性(viscoelasticity)在材料科学连续介质力学中,是指当材料受力而形变时,同时表现出黏性弹性的特性。黏性材料例如水,在受到应力时会抵抗剪切流动,并且会随著时间线性地伸长。弹性材料在拉伸时会产生变形,压力移除后会立即回复到原始状态。日常生活中有许多具有黏弹性特性的材料。

黏弹性材料具有这两种特性的元素,因此表现出时间依赖性形变。弹性通常是由有序固体中沿著晶体学平面的键伸展引起的,而粘度则是由非晶质材料中的原子或分子扩散引起的。

背景

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在19世纪,像马克思威尔波兹曼克尔文这样的物理学家研究和实验了玻璃、金属和橡胶的潜变和恢复现象。当合成高分子聚合物被开发并应用于各种应用中时,黏弹性在20世纪后期进一步得到研究。黏弹性的计算很大部分取决于黏度 η 。 η 的倒数也被称为流动性 φ 。若要计算黏度和流动性的任一值,可以以温度的函数或作为给定值(例如计算活塞黏性)而导出。

不同种类材料,有不同的应变速率()对剪切应力反应 ()

根据材料内的应变速率对应应力的变化,黏度可以分为线性、非线性或塑性反应。当材料表现出线性反应时,被归类为牛顿流体。在这种情况下,应力与应变速率成线性比例关系。如果材料对应变速率呈非线性反应,它被归类为非牛顿流体。还有一种有趣的情况是,粘度随著剪切/应变速率保持恒定而降低。展现这种行为的材料被称为塑性流体。此外,当应力与应变速率无关时,材料表现出塑性变形。许多黏弹性材料表现出类似于橡胶的行为,可以通过聚合物弹性的热力学理论解释。

一些黏弹性材料的例子包括非晶聚合物、半晶聚合物、生物聚合物、极高温下的金属和沥青材料。当应变在弹性极限之外且快速施加时,材料会出现裂纹。生物组织中,韧带和肌腱也黏弹性的,因此它们潜在的损坏程度取决于其长度变化的速率和施加的力量。日常生活中也有许多例子,例如塑胶或是鸡蛋的蛋清。部分塑胶施加拉伸应力之后变形,之后则慢慢地恢复原状。而鸡蛋的蛋清看上去像液体,但取出之前在搅拌的筷子,蛋清多少会恢复原先的形状。

一个黏弹性材料具有以下特性:

弹性与黏弹性比较

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纯弹性材料 (a) 和黏弹性材料 (b) 的应力-应变曲线 。红色区域代表材料在荷载和卸载周期中,因迟滞现象形成的反应路径,同时也代表材料的能量损耗(以热能形式),数学是可以 表示,其中 为应力、 为应变。

与纯粹的弹性物质不同,黏弹性物质具有弹性和黏性成分。黏弹性物质的黏度使物质对时间具有应变速率依赖性。纯弹性材料在施加负载后不会消散能量(以热能形式),当施力被移除时亦然。然而,黏弹性物质在施加负载后消耗能量,当施力被移除时亦然。应力-应变曲线上观察到潜变,其环状区域等于在荷载的周期中失去的能量。由于黏度是对热激活的塑性变形的阻力,黏性材料将在荷载的周期中失去能量。塑性变形会导致能量损失,这是纯弹性材料对荷载周期反应的非典型特征。

具体而言,黏弹性是一种分子重排。当应力施加到黏弹性材料(如高分子)上时,长链高分子的部分位置会改变。这种移动或重排被称为潜变。即使当其链的部分正在重新排列以配合应力时,高分子仍然保持固体物质,并且随著移动会在材料中产生一个背向应力。当背向应力与施加应力的大小相同时,材料不再蠕变。当初始应力被移除时,积累的背向应力将使高分子恢复到其原始形状。材料会蠕变,这给出了前缀黏-,并且材料完全恢复,这给出了后缀-弹性性。