- 2025-04-30 15:39:18旋轉(zhuǎn)流變儀
- 旋轉(zhuǎn)流變儀是一種用于測量材料流變性能的專業(yè)儀器。它通過施加旋轉(zhuǎn)剪切力，觀察材料在不同條件下的流變行為，如黏度、彈性模量等。該儀器廣泛應(yīng)用于聚合物、涂料、食品等行業(yè)，用于評估材料的加工性能、穩(wěn)定性及使用壽命。旋轉(zhuǎn)流變儀具有測量精度高、響應(yīng)速度快、操作簡便等特點(diǎn)，是材料科學(xué)研究和質(zhì)量控制的重要工具。
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旋轉(zhuǎn)流變儀問答
- 2024-12-02 11:00:13旋轉(zhuǎn)流變儀扭矩如何計(jì)算
- 在工業(yè)和科研領(lǐng)域，旋轉(zhuǎn)流變儀作為一種重要的儀器，廣泛應(yīng)用于測量材料在不同剪切條件下的流變性能。流變學(xué)的研究涉及液體和軟固體材料的變形與流動特性，而旋轉(zhuǎn)流變儀則通過測量材料在旋轉(zhuǎn)剪切場中的行為來評估其粘度、屈服強(qiáng)度等重要物理特性。其中，扭矩的計(jì)算是流變儀測試過程中至關(guān)重要的一部分，它直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性。本文將詳細(xì)介紹旋轉(zhuǎn)流變儀中扭矩的計(jì)算方法，并探討其在材料性能分析中的應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)流變儀扭矩的基本概念在旋轉(zhuǎn)流變儀的測試過程中，扭矩是指作用于樣品之間旋轉(zhuǎn)部件的力矩。儀器通過一個或多個旋轉(zhuǎn)的圓盤或圓筒，將剪切力作用于樣品，從而引起樣品的變形。根據(jù)樣品的粘性、彈性或塑性特性，旋轉(zhuǎn)部分的扭矩會發(fā)生變化。因此，扭矩的大小與樣品的流變特性密切相關(guān)，是流變學(xué)研究的重要參數(shù)之一。扭矩計(jì)算的基本原理旋轉(zhuǎn)流變儀的扭矩計(jì)算依賴于儀器的幾何結(jié)構(gòu)以及旋轉(zhuǎn)速度。其計(jì)算公式通常與轉(zhuǎn)動角速度、轉(zhuǎn)動角度和儀器的幾何參數(shù)密切相關(guān)。對于典型的平行板流變儀，扭矩T可以通過下列公式計(jì)算：[ T = \tau \cdot r^2 \cdot A ]其中，( \tau ) 為剪切應(yīng)力，( r ) 為旋轉(zhuǎn)半徑，( A ) 為板的接觸面積。這個公式體現(xiàn)了材料的剪切強(qiáng)度和接觸面積對扭矩的影響。扭矩與剪切應(yīng)力的關(guān)系扭矩計(jì)算的核心是剪切應(yīng)力（( \tau )）。剪切應(yīng)力與剪切速率（( \dot{\gamma} )）之間的關(guān)系取決于材料的流變模型。例如，對于牛頓流體，其剪切應(yīng)力與剪切速率成正比。而對于非牛頓流體，剪切應(yīng)力與剪切速率之間的關(guān)系則更為復(fù)雜，可能是非線性的。在旋轉(zhuǎn)流變儀中，通常采用流變模型（如Bingham塑性體模型、卡西定律等）來擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而獲得準(zhǔn)確的剪切應(yīng)力值。影響扭矩計(jì)算的因素在旋轉(zhuǎn)流變儀的測試中，扭矩的計(jì)算還受到多個因素的影響。樣品的流變特性是一個關(guān)鍵因素。高粘度的樣品會產(chǎn)生較大的扭矩，而低粘度的樣品則產(chǎn)生較小的扭矩。溫度、剪切速率和樣品的物理形態(tài)（如顆粒大小、分布等）也會對扭矩產(chǎn)生顯著影響。因此，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，必須精確控制這些變量，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
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- 2020-09-11 14:30:47旋轉(zhuǎn)流變儀類型簡明對比
- 旋轉(zhuǎn)流變儀通過驅(qū)動一對夾具沿圓周方向的相對運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)夾于其中的被測物質(zhì)的流動和變形從而進(jìn)行流變測量。施加與測量的具體實(shí)施方法有兩種：1）施加應(yīng)變（角位移）或應(yīng)變速率（角速率）刺激，測量響應(yīng)的應(yīng)力（扭矩），這種技術(shù)早期被稱為應(yīng)變控制型（Controlled Strain, CR）；2）施加應(yīng)力（扭矩）刺激，測量響應(yīng)的應(yīng)變（角位移）或應(yīng)變速率（角速率），這種技術(shù)早期被稱為應(yīng)力控制型（Controlled Stress, CS）。上述兩種流變儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)如圖1所示。圖1 旋轉(zhuǎn)流變儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（左為CR型，右為CS型）CR型旋轉(zhuǎn)流變儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)是驅(qū)動電機(jī)與扭矩傳感器分離各自獨(dú)立（Separate Motor & Transducer, SMT），樣品的流動或變形刺激由驅(qū)動電機(jī)施加，而樣品的應(yīng)力響應(yīng)則由扭矩傳感器量測。在CR型流變儀上，刺激施加和響應(yīng)量測是分別在兩個夾具側(cè)實(shí)現(xiàn)，因此，又被稱為雙頭（Double Heads, DH）流變儀。CR型旋轉(zhuǎn)流變儀的原生測試模式工作原理如圖2左圖所示。圖2 CR型（左）與CS型（右）原生測試模式工作原理CS型旋轉(zhuǎn)流變儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)是驅(qū)動電機(jī)兼任扭矩傳感器（Combined Motor & Transducer, CMT），樣品的流動或變形刺激由驅(qū)動電機(jī)施加，同時將驅(qū)動電機(jī)的工作扭矩扣除軸承摩擦矩和轉(zhuǎn)動慣性矩后當(dāng)作“量測”的樣品扭矩。在CS型流變儀上，刺激施加和響應(yīng)量測是在同一個夾具側(cè)實(shí)現(xiàn)，因此，又被稱為單頭（Single Head, SH）流變儀。CS型旋轉(zhuǎn)流變儀的原生測試模式工作原理如圖2右圖所示。在儀器設(shè)計(jì)的早期，CR型流變儀只能執(zhí)行控應(yīng)變和控剪切速率測試，而CS型流變儀只能執(zhí)行控應(yīng)力測試?，F(xiàn)代旋轉(zhuǎn)流變儀得益于“反饋-控制”的飛速發(fā)展，在進(jìn)行可以達(dá)到平衡態(tài)的測試（如穩(wěn)態(tài)速率掃描、振蕩測試等）時，CR旋轉(zhuǎn)流變儀與CS旋轉(zhuǎn)流變儀在一定程度上是等效的，即控應(yīng)變模式與控應(yīng)力模式可以互換且基本不影響測量結(jié)果。兩種儀器在非原生測試模式下的工作原理如圖3所示。圖3 CR型（左）與CS型（右）非原生測試模式工作原理但由于二者結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理存在根本不同，在進(jìn)行瞬態(tài)測試（如階躍應(yīng)變、階躍速率、階躍應(yīng)力和大振幅振蕩等）時兩種儀器的測試結(jié)果會存在較大差別。在CS旋轉(zhuǎn)流變儀上進(jìn)行瞬態(tài)測試時，系統(tǒng)（轉(zhuǎn)子和夾具）轉(zhuǎn)動慣量和軸承摩擦是避不開的，這在一定程度上會影響測量結(jié)果的可靠性，因此，進(jìn)行瞬態(tài)測試前，校準(zhǔn)電機(jī)轉(zhuǎn)子和測量夾具的慣量和軸承摩擦是十分必要的。系統(tǒng)慣量的客觀存在使得瞬態(tài)測試時很難正確捕捉到樣品的短時響應(yīng)特征，即便是CS旋轉(zhuǎn)流變優(yōu)勢項(xiàng)目——階躍應(yīng)力（蠕變）測試中也是如此。系統(tǒng)慣量還造成CS旋轉(zhuǎn)流變儀的應(yīng)變速率切換時間較長，在控應(yīng)變速率模式的瞬態(tài)測試中很難捕捉到正確的瞬時響應(yīng)；而在進(jìn)行控應(yīng)變速率模式的穩(wěn)態(tài)測量時需要更長的采點(diǎn)時間以保證測量結(jié)果可靠，從而導(dǎo)致總測試時間延長。在CS旋轉(zhuǎn)流變儀上進(jìn)行動態(tài)振蕩測試時，要對原始量進(jìn)行校正（扣除軸承摩擦和系統(tǒng)慣量效應(yīng)）才能得到樣品的黏彈響應(yīng)，由于慣量效應(yīng)（噪音項(xiàng)）正比于測試頻率的平方，這在一定程度上限制了實(shí)際有效的測試頻率上限。CR旋轉(zhuǎn)流變儀的應(yīng)變或應(yīng)變速率的切換時間較短，在控應(yīng)變模式和控應(yīng)變速率模式上仍具有很大優(yōu)勢。但在CR旋轉(zhuǎn)流變儀上進(jìn)行控制應(yīng)力模式的測試時，由于樣品的響應(yīng)被耦合到“反饋-控制”程序中，因此，在ZZ測試前要先對樣品的響應(yīng)特征進(jìn)行預(yù)測得到樣品的控制因數(shù)，從而使得總的測試時間會有所增加。兩類旋轉(zhuǎn)流變儀的主要差異對比列于表1。表1 CR和CS簡明對比CR（應(yīng)變控制型）CS（應(yīng)力控制型）備注儀器結(jié)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)與扭矩傳感器分離（Separate Motor & Transducer, SMT）驅(qū)動電機(jī)兼任扭矩傳感器（Combined Motor & Transducer, CMT）施加與量測分在兩個夾具頭上（Double Heads, DH）同在一個夾具頭上（Single Head, SH）扭矩量測在靜止頭上實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動頭上實(shí)現(xiàn)噪音源軸承摩擦和系統(tǒng)慣量低黏度和低模量數(shù)據(jù)有效性評估難度較大原生控制控應(yīng)變或應(yīng)變速率控應(yīng)力階躍應(yīng)變（應(yīng)力松弛）閉路控制（Closed-Loop）開路控制（Open-Loop）CS起始數(shù)據(jù)無意義階躍速率（應(yīng)力增長）閉路控制開路控制CS響應(yīng)數(shù)據(jù)不真實(shí)階躍應(yīng)力（蠕變）開路控制閉路控制CS慣量效應(yīng)不可避免流動測試（Flow）閉路控應(yīng)變速率開路控應(yīng)變速率小振幅振蕩（SAOS）閉路控應(yīng)變開路控應(yīng)變CS慣量效應(yīng)不可避免大振幅振蕩（LAOS）閉路控應(yīng)變閉路控應(yīng)力CS慣量效應(yīng)不可避免且LAOS控應(yīng)力無實(shí)用價(jià)值注：閉路控制中流動和變形的施加只取決于儀器性能；開路控制中流動和變形的施加不僅取決于儀器性能，還依賴于樣品黏彈性能。作者：李潤明 博士
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- 2020-07-14 15:44:31旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)與旋轉(zhuǎn)流變儀測黏度有什么差異
- Z近總是被問到“旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)與旋轉(zhuǎn)流變儀測黏度有什么差異”這個問題，那今天索性就來聊聊這個話題。旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)及其測量轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)流變儀及其測量夾具系統(tǒng)通常如下圖所示。 從上圖右圖可以看出，旋轉(zhuǎn)流變儀常用的測量夾具系統(tǒng)分別為錐板、平行板和同心圓筒，其每一種測量系統(tǒng)均有明確的幾何和尺寸，其測量場可以準(zhǔn)確量化；測量黏度用到的剪切速率和剪切應(yīng)力均可由儀器控制和量測的角速率和扭矩準(zhǔn)確換算得到。也是說，在旋轉(zhuǎn)流變儀上測量黏度時，測量條件參數(shù)非常明確，且測量黏度用到的剪切應(yīng)力和剪切速率均可準(zhǔn)確控制和測量。從上圖左圖可以看出，旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)的轉(zhuǎn)子雖然也有著準(zhǔn)確的形狀和尺寸，但與其配套使用的外杯通常并沒有嚴(yán)格的限制，這使得旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)的測量場不能準(zhǔn)確量化，因此，使用黏度計(jì)測量黏度時，并沒有像旋轉(zhuǎn)流變儀那樣明確的剪切速率和剪切應(yīng)力概念，而是直接使用轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和扭矩使用如下方程計(jì)算黏度。 黏度 = (扭矩/轉(zhuǎn)速) * 轉(zhuǎn)子因數(shù) 其中轉(zhuǎn)子因數(shù)通常是通過測量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)如標(biāo)準(zhǔn)油標(biāo)定得到的?？梢钥闯觯D(zhuǎn)黏度計(jì)在測量黏度時存在如下問題：1）沒有明確的剪切速率概念，測試參數(shù)轉(zhuǎn)速與剪切速率雖然成正相關(guān)，但不太容易換算到剪切速率；2）轉(zhuǎn)子因數(shù)確定需要通過標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)定，這使得旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)的準(zhǔn)確度還依賴于用于標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。若測試的樣品為牛頓流體，由于其黏度不依賴于剪切速率，使用黏度計(jì)理論上是可以測量準(zhǔn)確的。但若樣品是非牛頓流體，由于其黏度依賴于剪切速率，這種情況下使用黏度計(jì)測量得到的結(jié)果會由于沒有明確的剪切速率對應(yīng)而使得其不太好用于實(shí)際應(yīng)用場合的性能評估而實(shí)用價(jià)值不大。有不少讀者可能會有這樣的疑惑“相同轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)與旋轉(zhuǎn)流變儀的測量非牛頓流體的結(jié)果有可比性嗎？”，答案是沒有可比性。在旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)上，即使轉(zhuǎn)子固定，給定的轉(zhuǎn)速也很難換算出對應(yīng)的剪切速率，而非牛頓流體的黏度是依賴于剪切速率的。而在旋轉(zhuǎn)流變儀上，即使轉(zhuǎn)速相同，但若測量夾具不同或測量夾具的幾何因子不同，同一轉(zhuǎn)速換算得到的剪切速率也是不同的，從而使得依賴于剪切速率的黏度并不會因?yàn)閮H僅是轉(zhuǎn)速相同可以一致了。需要說明的是，近年來一些高級旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)也引入了與旋轉(zhuǎn)流變儀相同的測量夾具系統(tǒng)，從而可以給出明確的剪切速率和剪切應(yīng)力，使得其測量結(jié)果在與旋轉(zhuǎn)流變儀基本一致；但其測量于黏度測量，而不能像旋轉(zhuǎn)流變儀測量動態(tài)模量、松弛模量和蠕變?nèi)崃康?，其功能與旋轉(zhuǎn)流變儀仍存在較大差距……
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- 2018-11-15 18:53:39旋轉(zhuǎn)流變儀的主要技術(shù)參數(shù)
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- 2018-11-13 11:43:37旋轉(zhuǎn)流變儀的工作原理
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