同軸圓柱流變儀的使用原理及方法

更新時間：2025-06-27

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同軸圓柱流變儀是一種用于測量流體材料流變特性的重要儀器，其核心原理基于剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系，通過精確控制實驗條件獲取流體的黏度、彈性等參數(shù)。以下是其使用原理及方法的詳細(xì)說明：

一、使用原理

結(jié)構(gòu)組成

同軸圓柱流變儀由內(nèi)外兩個同心圓柱體組成，內(nèi)筒固定，外筒旋轉(zhuǎn)（或外筒固定、內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)）。待測流體填充在兩筒之間的環(huán)形間隙中。

剪切應(yīng)力與剪切速率

當(dāng)外筒以恒定角速度旋轉(zhuǎn)時，流體在間隙中受到剪切作用，產(chǎn)生剪切應(yīng)力。

剪切速率與外筒轉(zhuǎn)速、內(nèi)外筒半徑及間隙寬度相關(guān)。通過測量外筒施加的扭矩（反映剪切應(yīng)力）和轉(zhuǎn)速（反映剪切速率），可計算流體的流變參數(shù)。

流變參數(shù)計算

黏度（η）：根據(jù)牛頓流體公式 η=?τ?，其中 τ 為剪切應(yīng)力，γ˙? 為剪切速率。

非牛頓流體：對于非牛頓流體，需通過不同剪切速率下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，分析其流變行為（如剪切稀化、觸變性等）。

溫度控制

儀器配備恒溫系統(tǒng)，可精確控制實驗溫度，確保流變特性測量的準(zhǔn)確性。

二、使用方法

準(zhǔn)備工作

儀器校準(zhǔn)：檢查內(nèi)外筒的同心度、間隙寬度及扭矩傳感器的零點。

樣品準(zhǔn)備：根據(jù)流體特性選擇合適的樣品量，確保無氣泡且均勻填充間隙。

溫度設(shè)置：根據(jù)實驗需求設(shè)定恒溫槽溫度。

實驗步驟

安裝樣品：將流體注入環(huán)形間隙，避免溢出或殘留氣泡。

啟動儀器：設(shè)置外筒轉(zhuǎn)速（或剪切速率）范圍，啟動旋轉(zhuǎn)并記錄扭矩-時間曲線。

數(shù)據(jù)采集：

穩(wěn)態(tài)測試：待扭矩穩(wěn)定后，記錄剪切應(yīng)力與剪切速率數(shù)據(jù)。

動態(tài)測試：通過周期性變化剪切速率或應(yīng)力，分析流體的黏彈性響應(yīng)。

多條件測試：改變溫度、剪切速率等參數(shù)，重復(fù)實驗以獲取全面流變特性。

數(shù)據(jù)分析

黏度計算：根據(jù)穩(wěn)態(tài)測試數(shù)據(jù)繪制流變曲線，計算黏度值。

非牛頓特性分析：通過冪律模型、Carreau模型等擬合非牛頓流體行為。

動態(tài)模量分析：從動態(tài)測試數(shù)據(jù)中提取儲能模量（G'）和損耗模量（G''），評估流體彈性與黏性貢獻(xiàn)。

注意事項

避免慣性效應(yīng)：低黏度流體需選擇合適的外筒轉(zhuǎn)速，防止慣性影響扭矩測量。

溫度均勻性：確保恒溫槽溫度穩(wěn)定，避免局部溫差。

清潔維護：實驗后清洗內(nèi)外筒，防止殘留物影響后續(xù)測試。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

聚合物熔體：分析熔體黏度與剪切速率的關(guān)系，優(yōu)化加工工藝。

食品與化妝品：研究流體的口感、涂抹性及穩(wěn)定性。

生物材料：評估血液、凝膠等生物流體的流變特性。

石油工業(yè)：測量鉆井液、潤滑油的流變性能。

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