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关于锂离子电池浆料的理论知识(下)

发布时间: 2022-08-06 06:37:02 来源:亚博体育官网地址 作者:亚博体育入口

  流变学自16世纪开始萌芽,直到1928年美国物理化学家宾汉(E. C. Bingham)及巴勒斯坦学者雷纳(Refiner)命名流变学(rheology)开始将流变学变成一门独立学科。

  经典力学中,将流动与变形划分为两个不同范畴的概念,流动为液态属性,变形则为固态属性。但是经典力学的定义并不适合实际的材料使用,许多制品在变形中会产生黏性损耗,流动时具有弹性记忆效应,这类材料同时具备固体变形和液体流动的特性,在不同的外界环境下,表现出不同程度的流变性质。

  对于简单流体或简单弹性体,流变性质表现主要为三种形式:虎克弹性、宾汉塑性、牛顿黏性。拉伸流动与剪切流动均属于简单流动,然而流体流动的方式并不仅限简单流动。稳定的剪切流动类似于流体处于两块平行板间的流动,若在平行板间施加作用力,流体即产生流动速度梯度,流体内任一y坐标流体流动的速度y正比于其坐标y:

  要保持流体作上述剪切流动,须施加应力克服各层流体流动时的摩擦阻力,不同的流体阻力并不相等。若将剪切应力对剪切速率作图,可将流体的流变行为略分为四种类型:牛顿流体、假塑性流体、膨胀性流体及宾汉流体。描述中等剪切速率下的黏性流体方程最简单的流体模型为:

  K为流体常数因子,K愈大时流动阻力愈高;n为流体指数。对于大多数流体而言,剪切速率在并不是太广泛的范围时可视为常数。因此,

  但是实际的流动曲线n 值并不一定为定值,流体曲线可能具有混合性的流体性质,但在局部剪切速率范围中,n值可为一恒定值。

  1687年牛顿首先提出流体阻力正比于两部份流体相对流动的速度。简单的描述牛顿流体,流体黏度随温度的上升而下降,并且黏度不会随剪切速率的改变产生变化,应力与应变速率之间符合简单的线性关系,意指剪切应力将与剪切速率成正比,即:

  (11)式为牛顿流体的定义式。水、酒精、油类等低分子液体均属牛顿流体。牛顿流体的流动一般具有以下特点。

  变形不可回复性为黏性流体的特质,黏性流体的变形是永久变形。外力移除后,变形保持与施力状况下相等,由于粒子或分子链间己产生相对滑移,所以此种变形并无法回复。

  多数的溶液、熔体都属于假塑性流体,在高剪切速率下的黏度甚至可比低剪切速率少几个数量级。假塑性流体又称为剪切致薄流体,其流体行为是随剪切速率提升,溶液的黏度将随之下降。此种流体有助于加工成形,因此在工业制造具有重要的意义。

  低剪切速率下,物理破坏较少,胶体的基本结构基本不变,但当剪切速率达到定值以上,溶液内粒子的结构被破坏或具有方向性时,黏度值开始下降,显示为假塑性现象。而当剪切速率持续增加,物理交联点完全被破坏不及重建,胶体内的粒子可能被分散或是纤维具有方向性等原因,使黏度值将降至最低值而不再变化,在高剪切速率下流体可能接近牛顿流体性质。

  膨胀性流体与假塑性流体呈现相反的特性,流体黏度随着剪切速率增加而提高,又称为剪切致厚流体。此种流体在低剪切速率下具有流动性,然而在高剪切速率作用下,将致使黏度大幅提升。膨胀性流体一般具有以下特性:低剪切情况下,颗粒较趋分散态,受分散介质的浸润性较低;当剪切应力提高,颗粒会形成交联态,虽然结合力并不稳定,却升高了粒子的流动阻力,但由于结合力低之故,经静态松弛后的黏度仍会下降。如糊状物、淀粉、高分子凝胶等属于膨胀性流体。

  剪切速率保持不变,而黏度随时间减少的流体为触变性流体。触变作用相当普遍,假塑性流体具有时间依赖性,当剪切速率上升与下降曲线不重合时,将形成一个迟滞圈,因此触变性流体曲线由速率上升及速率下降曲线组合而成。其所包含的面积被定义为使材料凝胶结构被破坏时所需的能量。

  上图所显示的迟滞回圈表示流体材料内部结构的松弛特征,因此触变性流体必然是具有时间依赖性的假塑性流体,但假塑性流体并不一定是触变性流体。

  1.结构可逆变化,也就是施以外力至系统时具有结构的变化,除去外力后,系统结构会有回复现象。

  震荡剪切(Oscillatory shear)可用以检测材料的动态黏弹性质,同时获得材料黏性与弹性的流变行为,利用微小振幅的振荡作用藉此观察材料黏弹反馈,并可以藉此得知与稳态黏弹性之间的对应关系。动态

  (14)式中,0 为应变振幅; 为振荡角频率(s-1),此值亦可用线频率表示f(Hz)。当施以交变应力后,反馈的应力(t)也为正弦变化,且频率相同。但由于材料具有黏弹性,因此存在迟滞效应,使得应力与应变间存在一个相位差。

  对于纯弹性材料,将反馈所有的能量,因此=0,应力与应变间无相位角差;

  对于纯黏性材料而言,能量将完全散失,=/2;而黏弹性材料则介于两者之间,0/2。参照普通弹性模量的定义,定义复数模量为:

  当G = G”时,=45,此时表示材料流变性质转换,由固态转变为液态或由液态转为固态。

  此交点的对应值,其倒数便为特性时间(t)。当特性时间愈长,则流体倾向于黏性(浆料分散态),而特性时间愈短,流体趋向于弹性(浆料凝胶态)

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