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弄懂锂电池浆料必须了解的理论知识(二)

《弄懂锂电池浆料必须了解的理论知识(一)》,继续介绍。

3.流变学

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υy正比于其坐标y:

(7)

则剪切引起的剪切速率γ为:

(8)

由于υ=u/t,其中u为位移,则速度梯度可写为:

(9)

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:

(10)

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γ在并不是太广泛的范围时可视为常数。因此,

当n=1时,流体为牛顿流体;

当n<1时,流体为假塑性流体;

当n>1时,流体为膨胀性流体。

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。

流体的流变行为

3.1 牛顿流体(Newtonian Flow)

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)

(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。

1.变形的时间依赖性

线性黏性流动中,当达到稳定态时,剪切速率不变。若以变形观点而言,则:

(12)

即流体的变形随时间不断发生,具有时间依赖性。

2.流体变形的不可回复性

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。

3.能量损失

外力对于流体所做的功会转变为热能而散失,此特性与弹性变形完全相反。

4.正比性

线性黏性流动中应力与应变速率成正比,黏度与应变速率无关。


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