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弄懂鋰電池漿料必須了解的理論知識(二)

《弄懂鋰電池漿料必須了解的理論知識(一)》,繼續介紹。

3.流變學

流變學自16世紀開始萌芽,直到1928年美國物理化學家賓漢(E. C. Bingham)及巴勒斯坦學者雷納(Refiner)命名流變學(rheology)開始將流變學變成一門獨立學科。

經典力學中,將流動與變形劃分為兩個不同范疇的概念,流動為液態屬性,變形則為固態屬性。但是經典力學的定義并不適合實際的材料使用,許多制品在變形中會產生黏性損耗,流動時具有彈性記憶效應,這類材料同時具備固體變形和液體流動的特性,在不同的外界環境下,表現出不同程度的流變性質。

對于簡單流體或簡單彈性體,流變性質表現主要為三種形式:虎克彈性、賓漢塑性、牛頓黏性。拉伸流動與剪切流動均屬于簡單流動,然而流體流動的方式并不僅限簡單流動。穩定的剪切流動類似于流體處于兩塊平行板間的流動,若在平行板間施加作用力,流體即產生流動速度梯度,流體內任一y坐標流體流動的速度υy正比于其坐標y:

(7)

則剪切引起的剪切速率γ為:

(8)

由于υ=u/t,其中u為位移,則速度梯度可寫為:

(9)

要保持流體作上述剪切流動,須施加應力克服各層流體流動時的摩擦阻力,不同的流體阻力并不相等。若將剪切應力對剪切速率作圖,可將流體的流變行為略分為四種類型:牛頓流體、假塑性流體、膨脹性流體及賓漢流體。描述中等剪切速率下的黏性流體方程最簡單的流體模型為:

(10)

K為流體常數因子,K愈大時流動阻力愈高;n為流體指數。對于大多數流體而言,剪切速率γ在并不是太廣泛的范圍時可視為常數。因此,

當n=1時,流體為牛頓流體;

當n<1時,流體為假塑性流體;

當n>1時,流體為膨脹性流體。

但是實際的流動曲線n 值并不一定為定值,流體曲線可能具有混合性的流體性質,但在局部剪切速率范圍中,n值可為一恒定值。

流體的流變行為

3.1 牛頓流體(Newtonian Flow)

1687年牛頓首先提出流體阻力正比于兩部份流體相對流動的速度。簡單的描述牛頓流體,流體黏度隨溫度的上升而下降,并且黏度不會隨剪切速率的改變產生變化,應力與應變速率之間符合簡單的線性關系,意指剪切應力將與剪切速率成正比,即:

(11)

(11)式為牛頓流體的定義式。水、酒精、油類等低分子液體均屬牛頓流體。牛頓流體的流動一般具有以下特點。

1.變形的時間依賴性

線性黏性流動中,當達到穩定態時,剪切速率不變。若以變形觀點而言,則:

(12)

即流體的變形隨時間不斷發生,具有時間依賴性。

2.流體變形的不可回復性

變形不可回復性為黏性流體的特質,黏性流體的變形是永久變形。外力移除后,變形保持與施力狀況下相等,由于粒子或分子鏈間己產生相對滑移,所以此種變形并無法回復。

3.能量損失

外力對于流體所做的功會轉變為熱能而散失,此特性與彈性變形完全相反。

4.正比性

線性黏性流動中應力與應變速率成正比,黏度與應變速率無關。


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