流變儀作為一種用于測(cè)量物質(zhì)流變特性的儀器，廣泛應(yīng)用于高分子、食品、化妝品、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域。它能夠測(cè)試物質(zhì)在不同剪切速率下的流動(dòng)行為、粘度變化等參數(shù)，從而揭示物質(zhì)在不同條件下的力學(xué)性質(zhì)。為了理解流變儀的工作原理，首先需要了解流體的基本概念和流變學(xué)的基本理論，尤其是牛頓流體力學(xué)理論。
一、牛頓流體力學(xué)基礎(chǔ)
牛頓流體力學(xué)為理解儀器工作原理提供了理論基礎(chǔ)。牛頓流體是指那些遵循牛頓粘性定律的物質(zhì)，其剪切應(yīng)力與剪切速率呈線性關(guān)系。這一關(guān)系可表示為τ=ηγ?，其中τ為剪切應(yīng)力，γ?為剪切速率，η為流體的粘度系數(shù)。粘度作為流體的內(nèi)在屬性，反映了其抵抗流動(dòng)的能力，是儀器測(cè)量的核心參數(shù)之一。
在流體流動(dòng)分析中，剪切應(yīng)力描述了流體內(nèi)部由于速度梯度而產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力，而剪切速率則表征了速度隨位置變化的快慢。牛頓流體的粘度在一定溫度和壓力條件下保持恒定，不隨剪切速率的變化而改變。這一特性使得牛頓流體的流變行為相對(duì)簡(jiǎn)單，為流變測(cè)量提供了理想化的模型系統(tǒng)。
二、基本構(gòu)造與類型
流變儀主要由三大部分組成：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)施加可控的應(yīng)力或應(yīng)變，測(cè)量系統(tǒng)則用于檢測(cè)樣品的響應(yīng)，而溫控系統(tǒng)確保實(shí)驗(yàn)條件的一致性。根據(jù)測(cè)量幾何的不同，它主要分為旋轉(zhuǎn)式（包括同軸圓筒、錐板和平行板）和毛細(xì)管式兩大類。
旋轉(zhuǎn)式通過旋轉(zhuǎn)部件對(duì)樣品施加剪切，測(cè)量扭矩和角位移來(lái)推算流變參數(shù)。其中，同軸圓筒設(shè)計(jì)適用于低粘度流體，錐板幾何可提供均勻的剪切場(chǎng)，而平行板則便于處理含有顆粒的樣品。毛細(xì)管則通過測(cè)量流體在壓力驅(qū)動(dòng)下通過細(xì)管的流量來(lái)評(píng)估其流變特性，特別適合高剪切速率條件下的測(cè)量。
三、工作原理
在剪切測(cè)量模式下，它通過精確控制旋轉(zhuǎn)部件的運(yùn)動(dòng)，在樣品中建立穩(wěn)定的速度梯度。根據(jù)牛頓粘性定律，儀器測(cè)量的扭矩與流體的粘度直接相關(guān)。對(duì)于同軸圓筒系統(tǒng)，粘度可通過η=M(κ²-1)/(4πhωR?²κ²)計(jì)算，其中M為扭矩，h為圓筒高度，ω為角速度，R?為外筒半徑，κ為半徑比。
動(dòng)態(tài)振蕩測(cè)試是流變儀的另一重要功能，通過施加小幅振蕩應(yīng)變，同時(shí)測(cè)量應(yīng)力響應(yīng)，可獲得儲(chǔ)能模量(G')和損耗模量(G")。對(duì)于牛頓流體，G'為零而G"=ηω，這反映了其純粘性特征。它的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄這些響應(yīng)信號(hào)，通過傅里葉變換等數(shù)學(xué)處理，提取材料的流變學(xué)參數(shù)。
四、牛頓流體在流變測(cè)量中的表現(xiàn)
牛頓流體在流變測(cè)量中展現(xiàn)出鮮明的特征性行為。在穩(wěn)態(tài)剪切實(shí)驗(yàn)中，其粘度不隨剪切速率變化，流動(dòng)曲線呈現(xiàn)水平直線。動(dòng)態(tài)測(cè)試中，相位角恒為90°（應(yīng)力與應(yīng)變速率同相），且G'為零。這些特征可作為判斷流體是否符合牛頓模型的依據(jù)。
實(shí)際應(yīng)用中，許多簡(jiǎn)單液體如水、礦物油和低分子量溶液在較寬剪切速率范圍內(nèi)表現(xiàn)出牛頓行為。通過儀器測(cè)量這些體系的粘度，不僅驗(yàn)證了儀器的準(zhǔn)確性，也為非牛頓流體的研究提供了基準(zhǔn)。值得注意的是，溫度對(duì)牛頓流體粘度的影響顯著，通常遵循阿倫尼烏斯關(guān)系，這要求流變測(cè)量時(shí)必須嚴(yán)格控制溫度條件。
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