Вязкоупругая релаксация в жидкостях при низких частотах

• Автор: Дамдинов, Баир Батуевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Улан-Удэ
• Количество страниц: 185 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЯЗКОУПРУГИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТЕЙ
1.1. Представления о природе жидкого состояния вещества
1.2. Реология и методы исследования вязкоупругих сред
1.3. Методы измерения сдвиговых характеристик жидкостей
1.4. Низкочастотная сдвиговая упругость жидкостей
Выводы к главе
Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЯЗКОУПРУГИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТЕЙ РЕЗОНАНСНЫМ МЕТОДОМ
2.1. Теория акустического резонансного метода
2.2. Экспериментальная установка
2.3. Методика измерений
2.4. Анализ погрешностей резонансного метода
Выводы к главе
Глава 3. СДВИГОВЫЕ ВЯЗКОУПРУГИЕ СВОЙСТВА ЖИДКИХ СИСТЕМ
3.1. Исследование вязкоупругих свойств ряда органических жидкостей
3.2. Исследование вязкоупругих свойств смесей природных полимеров..
3.3. Вязкоупругие свойства пропиточных растворов
3.4. Оценка молекулярной массы полимеров по модулю сдвига
3.5. Коллоидные суспензии наночастиц
Выводы к главе
Глава 4. ПРИМЕНЕНИЕ АКУСТИЧЕСКОГО МЕТОДА НА ДРУГИХ ЧАСТОТАХ
4.1. Исследования вязкоупругих свойств жидкостей на частоте 10 кГц
4.2. Исследования вязкоупругих свойств жидкостей с помощью камер-тонанаЗДкГц
4.3. Исследование вязкоупругих свойств жидкостей реологическим методом на частотах 0.01-100 Гц
Выводы к главе
ГЛАВА 5. ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ В РАМКАХ КЛАСТЕРНОЙ МОДЕЛИ ЖИДКОСТЕЙ
5.1. Быстрые и медленные физические процессы релаксации
в аморфных полимерах
5.2. Кластерные модели сильновязких жидкостей и стекол
5.3. Кластерная модель низкочастотной вязкоупругой релаксации
в жидкостях
Выводы к главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Изучение сдвиговых вязкоупругих свойств жидкостей и выявление природы релаксационных процессов, протекающих в них, являются актуальными проблемами физики конденсированного состояния. Вязкоупругие параметры сред являются их важнейшими характеристиками как в научном плане, так и в практическом отношении. Они необходимы в качестве контролируемых величин в расчётах, связанных с процессами создания новых конструкций машин, а также для выбора наиболее рациональных режимов работы оборудования и оптимальных технологических схем производства. Реологические измерения служат эффективным методом исследования природы физико-химических свойств веществ и особенностей их атомномолекулярного строения.
В изучении вязкоупругих свойств жидкостей важную роль играют акустические методы, которые остаются основным инструментом, позволяющим получить значения модулей сдвиговой упругости ((7 и С), характеризующих вязкоупругое поведение жидкости. Структурные изменения в вязкоупругих материалах можно оценивать как по их модулю сдвига, так и по параметрам внутреннего трения.
Наиболее важным методом исследования вязкоупругих свойств жидкостей является изучение реакции жидкости на сдвиговые воздействия с определенной частотой. Принято считать, что сдвиговая упругость жидкостей может проявляться только в высокочастотном режиме, при частотах сдвиговых колебаний 10'° Гц и выше, сравнимых с частотой перескоков отдельных частиц жидкости. Однако в работах Базарона, Дерягина и Булгадаева впервые было обнаружено наличие сдвиговой упругости у различных жидкостей при относительно низкой частоте порядка 103 кГц. Наличие сдвиговой упругости у жидкостей при низких частотах сдвиговых колебаний порядка 105 Гц независимо от их вязкости и полярности свидетельствует о том, что класси-

ческие представления о природе жидкого состояния вещества нуждаются в дальнейшем развитии. Было предположено, что в жидкости имеется низкочастотный вязкоупругий релаксационный процесс с периодом релаксации, намного превышающим время оседлого существования отдельных частиц жидкости. В результате исследований было обнаружено, что тангенс угла механических потерь для всех исследованных жидкостей меньше единицы. В соответствии с реологической моделью Максвелла это означает, что частота релаксации вязкоупругого процесса ниже частоты эксперимента. Поэтому для более глубокого понимания природы низкочастотного вязкоупругого релаксационного процесса необходимы систематические частотные и температурные реологические исследования.
Следовательно, развитие модельных представлений о природе жидкого состояния, изучение сдвиговых вязкоупругих свойств жидкостей при низких частотах, выявление природы релаксационных процессов в них имеют важное фундаментальное значение.
Диссертация выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук в соответствии с приоритетным направлением СО РАН 2.1. Актуальные проблемы физики конденсированного состояния, а также в рамках проекта 2.7.2.5. Структурно-релаксационные процессы в неоднородных системах с наноразмерными частицами и в стеклообразных полупроводниках. Работа была поддержана Американским и Российским акустическими обществами (2000, 2007 гг.) и Австрийским научным фондом (2008). Она выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ 98-01-00503-а, 04-02-26671-3, 05-02-16584-а, 07-02-90103-Монг-а, 08-02-08186-3, 08-02-98008, 09-02-00748-а.
Целью настоящей работы является установление механизма низкочастотной вязкоупругой релаксации в жидкостях на основе кластерной модели и экспериментального акустического исследования сдвиговых свойств различ-

число элементов, редко дают удовлетворительную сходимость опытных данных с рассчитанными по уравнениям. В то же время увеличение количества элементов сверх четырёх не приводит к существенному качественному изменению модели, так как модели, содержащие до четырёх элементов включительно, исчерпывают всё разнообразие механического поведения данного материала.
Все реальные вещества в той или иной мере обладают как упругими, так и вязкими свойствами. Для характеристики поведения материала рассматривают зависимость между прилагаемым к нему напряжением и вызываемой этим напряжением деформацией и составляют реологическое уравнение, связывающее эти величины и их производные по времени.
Простейшее реологическое уравнение, выполняемое в случае малых деформаций для большинства твердых тел - закон Гука в его наиболее простой форме: у = стЮ , где а - напряжение, (7 - модуль упругости, у - деформация. Поведение маловязких жидкостей обычно хорошо следует другому реологическому уравнению - закону Ньютона: <1у/<Ь = Ыт], где а - напряжение сдвига, ?] - коэффициент вязкости.
В действительности не существует идеальных ньютоновских жидкостей, полностью лишенных упругости, как и идеально упругих тел. При любых условиях деформирования реальные материалы обладают целым спектром механических свойств. К примеру, все реальные жидкости, полимеры и стекла могут проявлять как упругость, так и вязкость. Для приближенного описания линейных вязкоупругих свойств обычно пользуются различными реологическими моделями.
Максвеллом была предложена реологическая модель вязкоупругого материала, которая состоит из последовательно соединенных пружины и демпфера - поршня в вязкой среде (Рис. 1.2.4.в.). В этой модели упругие свойства определяются пружиной, а внутреннее трение - демпфером и характеризуется вязкостью. В такой модели полная деформация у складывается из