레올로지

Rheology
시리즈의 일부
연속체 역학
픽의 확산 법칙
법률
보수
불평등
고체 역학
유체역학
유체
액체
가스
플라즈마
레올로지
스마트 유체
과학자

레올로지(/riːlddʒi/; 그리스어 έωrh(rhéo) '흐름' 및 -ooγα(-logia) '연구'에서 유래)는 주로 유체(액체 또는 기체) 상태에서 물질의 흐름을 연구하는 학문이지만, 소성 변형이 아닌 "연질" 또는 고체로 반응한다.유동학은 물리학의 한 분야이며, 고체와 [1]액체 모두의 물질의 변형과 흐름을 다루는 과학이다.

레올로지라는 용어는 유진 C에 의해 만들어졌다. 1920년에 라파예트 대학의 교수였던 빙엄은 동료인 마커스 [2][3]라이너의 제안으로 부터 왔다.이 용어는 헤라클리투스(흔히 심플리키우스의 잘못으로 생각됨)와 판타레이(πάα ῥ ', '모든 것이 [4][5]흐른다')의 격언에서 영감을 얻었으며, 액체의 흐름과 고체의 변형을 설명하기 위해 처음 사용되었다.진흙, 진흙, 부유물, 폴리머 및 기타 유리 성형체(예: 규산염), 많은 식품 및 첨가물, 체액(예: 혈액) 및 기타 생물학적 물질과 같이 복잡한 미세 구조를 가진 물질 및 식품과 같은 연질 물질에 적용된다.

뉴턴 유체는 특정 온도에 대한 단일 점도 계수로 특징지을 수 있습니다.이 점도는 온도에 따라 변화하지만 변형률에 따라 변화하지는 않습니다.이러한 점도는 극소수의 유체 그룹에서만 볼 수 있습니다.변형률(상대 유속)에 따라 점도가 변화하는 큰 종류의 유체를 비뉴턴 유체라고 합니다.

레올로지에서는 일반적으로 스트레스와 변형률의 변화율을 관련짓는 데 필요한 최소 기능의 수를 특성화함으로써 비뉴턴 유체의 동작을 설명합니다.예를 들어 케첩은 흔들림(또는 다른 형태의 기계적 교반)에 의해 점도를 낮출 수 있지만, 물은 점도를 낮출 수 없습니다.케첩은 요구르트 및 에멀전 페인트(미국 용어 라텍스 페인트 또는 아크릴 페인트)와 같은 전단 얇아지는 물질로, 예를 들어 교반함으로써 상대 유속이 증가하면 점도가 감소합니다.뉴튼이 아닌 다른 재료들은 반대되는 거동인 레오펙티(reopecty)를 보여줍니다. 상대적인 변형에 따라 점도가 증가하며, 이를 전단두께화 또는 팽창제라고 합니다.아이작 뉴턴 경이 점도의 개념을 창안했기 때문에, 변형률 의존적인 점도를 가진 액체에 대한 연구는 종종 비뉴턴 유체 [1]역학이라고도 불립니다.

레올로지라는 용어는 레오메트리와 동의어로 자주 사용되지만, 특히 실험주의자들에 의해 레오메트리로 알려져 있다.레올로지의 이론적인 측면은 재료의 흐름/변형 거동과 내부 구조(예: 폴리머 분자의 방향과 신장)의 관계와 기존의 유체 역학이나 탄성으로는 설명할 수 없는 재료의 흐름/변형 거동이다.

범위

실제로 레올로지는 탄성과 (뉴턴식) 유체 역학을 적절히 조합함으로써 탄성, 점성 및 소성 거동의 조합을 나타내는 재료의 흐름을 특징짓기 위해 연속체 역학을 확장하는 데 주로 관여합니다.또한 물질의 미세 또는 나노 구조에 기초한 기계적 거동(연속체 기계적 규모)을 예측하는 데에도 관여한다. 예를 들어 용액 내 고분자의 분자 크기와 구조 또는 고체 현탁액 내 입자 크기 분포이다.유체의 특성을 가진 물질은 응력을 받으면 흐릅니다. 응력은 면적당 힘으로 정의됩니다.다양한 종류의 응력(예: 전단, 비틀림 등)이 있으며 재료는 다른 응력 하에서 다르게 반응할 수 있습니다.이론상의 레올로지 대부분은 외부력과 토크를 내부 응력, 내부 변형률 경사 및 흐름 속도와 [1][6][7][8]연관짓는 것과 관련이 있습니다.

연속체 역학
연속 재료의 물리학 연구 		고체 역학
정의된 정지 형태를 가진 연속 물질의 물리학 연구. 		탄력성
가해진 응력이 제거된 후 정지된 형태로 되돌아가는 재료에 대해 설명합니다.
소성
충분한 응력을 가한 후 영구적으로 변형되는 재료를 설명합니다. 		레올로지
고체 및 유체 특성을 모두 가진 재료에 대한 연구.
유체역학
힘을 받으면 변형되는 연속 물질의 물리학에 대한 연구. 		비뉴턴 유체
적용된 전단 응력에 비례하는 변형률을 받지 마십시오.
뉴턴 유체는 가해진 전단 응력에 비례하여 변형률을 겪는다.

레올로지는 이러한 유형의 변형을 겪는 물질이 정적 평형에서 응력(특히 전단 변형을 분석하기가 더 쉽기 때문에 전단 응력)을 지탱할 수 없다는 것을 인식함으로써 가소성과 비뉴턴 유체 역학의 겉보기에는 관련이 없는 분야를 통합한다.이러한 의미에서 소성 변형이 진행되는 고체는 유체이지만, 이 흐름과 관련된 점도 계수는 없다.입상 레올로지란 입상물질의 연속적인 기계적 설명을 말한다.

레올로지의 주요 작업 중 하나는 경험적 데이터를 사용하기 전에 수많은 이론적인 발전(프레임 불변성 보장 등)이 필요하지만 변종(또는 변형률)과 응력 사이의 관계를 측정으로 확립하는 것이다.이러한 실험 기법은 레오메트리라고 하며 잘 정의된 레오 재료 기능의 결정과 관련이 있습니다.그런 관계는 연속체 역학의 확립된 방법에 의해 수학적 처리에 적응할 수 있다.

단순한 전단 응력장에서 발생하는 흐름이나 변형의 특성을 전단 레오메트리(또는 전단 레오로지)라고 합니다.확장 흐름에 대한 연구는 확장 레올로지라고 불립니다.전단 흐름은 연구하기가 훨씬 쉬우며, 따라서 전단 흐름에 대해 확장 흐름에 비해 훨씬 더 많은 실험 데이터를 사용할 수 있다.

점탄성

주요 기사:점탄성
  • 유체 및 고체 특성은 오랫동안 관련이 있습니다.
    우리는 일정한 응력(일명 크리프 실험)의 적용을 고려한다.
    • 어떤 변형 후에 재료가 최종적으로 더 이상의 변형에 저항할 경우, 그것은 고체라고 간주된다.
    • 반대로 물질이 무한히 흐르면 유체로 간주한다.
  • 반면 탄성 및 점성(또는 중간, 점탄성) 거동은 짧은 시간(과도한 거동)에 관련이 있다.
    우리는 다시 일정한 [9]응력의 적용을 고려한다.
    • 재료 변형 변형률이 가해지는 응력 증가에 따라 선형적으로 증가하면 재료는 회복 가능한 변형률을 나타내는 범위 내에서 선형 탄성을 갖는다.탄성은 응력이 가해지는 순간 시간 지연 없이 변형률이 나타나기 때문에 기본적으로 시간에 구애받지 않는 프로세스입니다.
    • 재료 변형 변형률이 가해지는 응력 증가에 따라 선형적으로 증가하면 뉴턴식 의미에서 재료는 점성이 된다.이러한 재료는 일정한 응력과 최대 변형률 사이의 시간 지연으로 인해 특징지어집니다.
    • 소재가 점성과 탄성 구성요소의 조합으로 작용한다면 소재는 점탄성입니다.이론적으로 이러한 재료는 탄성 재료로서의 순간적인 변형과 유체에서의 지연된 시간 의존적 변형 모두를 나타낼 수 있다.
  • 가소성은 재료에 항복 응력이 가해진 후에 관찰되는 거동입니다.
    낮은 응력 하에서 고체처럼 작용하는 물질은 재료의 항복 응력이라고 하는 특정 수준의 응력 이상으로 흐르기 시작할 수 있습니다.플라스틱 고체라는 용어는 이 가소성 임계값이 다소 높을 때 사용되는 반면 항복 응력 유체는 임계 응력이 다소 낮을 때 사용됩니다.그러나 두 개념 사이에는 근본적인 차이가 없다.

무차원수

데보라 수

주요 기사:데보라 수

스펙트럼의 한쪽 끝에는 비점성 또는 단순한 뉴턴 유체가 있고 다른 한쪽 끝에는 단단한 고체가 있습니다. 따라서 모든 물질의 거동은 이 두 끝 사이 어딘가에 있습니다.물질 거동의 차이는 변형될 때 물질에 존재하는 탄성의 수준과 성질에 의해 특징지어지며, 이는 물질 거동을 비뉴턴 정권에 가져간다.비차원적인 데보라 숫자는 흐름에서 뉴턴이 아닌 동작의 정도를 설명하도록 설계되었습니다.데보라 수치는 실험 또는 [3][10]관찰의 특성 시간에 대한 특성 완화 시간(순수히 재료 및 온도와 같은 다른 조건에 따라 다름)의 비율로 정의됩니다.작은 데보라 숫자는 뉴턴 흐름을 나타내며, 비뉴턴적(점성과 탄성 효과 모두 있음) 거동은 중간 범위 데보라 숫자에 대해 발생하며, 높은 데보라 숫자는 탄성/강성 고체를 나타낸다.데보라 숫자는 상대적인 양이기 때문에 분자나 분모가 숫자를 바꿀 수 있다.예를 들어 이완 시간이 극히 짧거나 실험 시간이 매우 긴 유체에 대해 매우 작은 데보라 수를 얻을 수 있다.

레이놀즈 수

주요 기사:레이놀즈 수

유체역학에서 레이놀즈 수(Rynolds )는 관성력( s {displaystyle })과 점성력(L {{mu } {의 비율이며, 결과적으로 주어진 흐름 조건에 대한 이들 두 유형의 효과의 상대적 중요성을 수량화합니다.레이놀즈 수치가 낮을 때는 점성 효과가 우세하고 흐름이 층상인 반면, 레이놀즈 수치가 높을 때는 관성이 우세하고 흐름이 난류일 수 있습니다.그러나 유동학은 점도가 일정하지 않지만 흐름과 시간에 따라 달라질 수 있는 유체와 관련이 있기 때문에 레이놀즈 수 계산은 복잡할 수 있다.

유체역학에서 가장 중요한 무차원 수치 중 하나이며, 일반적으로 다른 무차원 수치와 함께 동적 유사성을 결정하는 기준을 제공하기 위해 사용됩니다.기하학적으로 유사한 두 개의 흐름 패턴, 아마도 다른 흐름 속도를 가진 다른 유체에서 관련 치수 없는 숫자에 대해 동일한 값을 갖는 경우, 그것들은 역동적으로 유사하다고 한다.

일반적으로 다음과 같이 표시됩니다.

여기서:

  • us – 평균 유속, [m−1 s]
  • L – 특성 길이, [m]
  • μ – (절대) 동적 유체 점도, [N s m−2] 또는 [Ps]
  • γ – 운동학적 유체 : v= { v= [m2−1 s]
  • δ – 유체 밀도, [kg−3 m]

측정.

레오미터는 재료의 레올로지 특성을 특징짓는 데 사용되는 기구로, 일반적으로 용해 또는 용액인 유체입니다.이러한 계측기는 유체에 특정 응력장 또는 변형을 가하고 결과적으로 발생하는 변형 또는 응력을 모니터링합니다.계측기는 전단 및 연장 모두에서 정상 흐름 또는 진동 흐름으로 작동할 수 있습니다.

적용들

레올로지에는 재료과학, 공학, 지구물리학, 생리학, 인간생물학 및 약리학 분야 응용 분야가 있습니다.재료 과학은 복잡한 흐름 특성을 가진 시멘트, 페인트, 초콜릿과 같은 많은 산업적으로 중요한 물질의 생산에 이용된다.또한, 가소성 이론은 금속 성형 공정의 설계에도 마찬가지로 중요했습니다.레올로지 과학 및 고분자 재료의 생산 및 사용에 있어서의 점탄성 특성의 특성은 산업 부문과 군사 부문 모두에서 사용되는 많은 제품 생산에 있어 매우 중요했습니다.액체의 흐름 특성에 대한 연구는 간단한 액체, 연고, 크림, 페이스트 등과 같은 몇 가지 투약 형태의 제조에 종사하는 약사에게 중요하다.가해진 응력 하에서 액체의 흐름 거동은 약학 분야에서 큰 관련이 있다.흐름 특성은 제품의 우수성을 유지하고 배치 대 배치 변동을 줄이기 위해 중요한 품질 관리 도구로 사용됩니다.

재료과학

폴리머

고무, 플라스틱 및 섬유의 처리[11] 및 사용에 있어 이러한 원칙이 실제 문제에 적용될 가능성을 설명하기 위해 예를 들 수 있습니다.고분자는 고무 및 플라스틱 산업의 기본 재료를 구성하며 섬유, 석유, 자동차, 종이 및 제약 산업에 매우 중요합니다.점탄성 특성은 이들 산업의 최종 제품의 기계적 성능 및 중간 생산 단계에서 가공 방법의 성공을 결정합니다.

대부분의 고분자 및 플라스틱과 같은 점탄성 재료에서 액체 상태의 거동은 의 특성에 따라 달라지며, 따라서 힘이 얼마나 빨리 가해지는지에 따라 달라진다.실리콘 장난감 '실리 퍼티'는 힘을 가하는 시간 속도에 따라 동작이 상당히 다르다.천천히 당기면 점성이 높은 액체에 나타나는 것과 유사한 연속적인 흐름이 나타납니다.또는 강하게 직접 부딪히면 규산염 유리처럼 깨집니다.

또한 기존 고무는 유리 전환(고무-유리 전환이라고도 함)을 거칩니다.예를 들어, 우주왕복선 챌린저호 참사는 이례적으로 추운 플로리다 주 아침에 유리 전이 온도보다 훨씬 낮게 사용된 고무 O링에 의해 발생했으며, 따라서 두 고체 연료 로켓 부스터의 부분 사이에 적절한 씰을 형성하기 위해 적절히 구부릴 수 없었다.

생체 고분자

셀룰로오스의 선형 구조 - 지구상의 모든 유기 식물에서 가장 일반적인 구성요소입니다.* 어떠한 온도와 압력에서든 점도를 높이는 수소 결합의 증거에 유의하십시오.이는 폴리머시크로스링의 영향과 비슷하지만 덜 뚜렷하다.

솔겔

주요 기사: sol-gel
테트라에틸로르토실리케이트(TEOS)와 아모르퍼스하이드로레이트실리카 입자(Si-OH)를 형성하기 위한 물의 중합 과정은 여러 가지 다른 방법으로 레올로지컬하게 감시할 수 있다.

솔의 점도를 적정 범위로 조정하면 광섬유 센서와 단열재에 사용되는 광품질 유리섬유와 내화 세라믹섬유를 각각 그릴 수 있다.가수분해와 응축의 메커니즘과 구조를 선형 또는 분기 구조로 편향시키는 레올로지 인자는 솔겔 과학 및 기술의 가장 중요한 이슈입니다.

지구물리학

지구물리학의 과학 분야에는 녹은 용암의 흐름과 파편 흐름(유체 토석류)의 연구가 포함된다.이 부문은 장기간에 걸친 흐름만을 나타내는 고체 지구 물질도 취급합니다.점성이 있는 행동을 보이는 것을 리드라고 합니다.예를 들어, 화강암은 실온에서 무시할 수 있는 항복 응력(점성 흐름)으로 소성 유동할 수 있습니다.장기 크리프 실험(~10년)에 따르면 주변 조건에서 화강암과 유리의 점도는 10포이즈 [12][13]정도인20 것으로 나타났습니다.

생리학

생리학은 복잡한 구조와 구성을 가진 많은 체액에 대한 연구를 포함하며, 따라서 광범위한 점탄성 흐름 특성을 보인다.특히 치질학이라는 혈류에 대한 전문적인 연구가 있다.이것은 혈액과 그 요소(적혈구, 백혈구, 혈소판을 포함한 혈장 및 형성된 요소)의 흐름 특성에 대한 연구입니다.혈액 점도는 혈장 점도, 헤마토크릿(세포 요소의 99.9%를 구성하는 적혈구의 부피 비율) 및 적혈구의 기계적 거동에 의해 결정된다.그러므로 적혈구 역학은 [14]혈액의 흐름 특성을 결정하는 주요 요인이다.

치질학의 주요 특징은 꾸준한 전단 흐름에서의 전단 얇음이다.혈액이 증명할 수 있는 다른 비뉴턴 유동학적 특성으로는 의사소성, 점탄성, 틱소트로피 [15]등이 있다.

적혈구 응집

혈류 예측과 전단 솎아내기 반응을 설명하는 두 가지 주요 가설이 있습니다.두 모델은 또한 메커니즘이 여전히 논의되고 있지만, 가역적혈구 응집 동력을 입증하려고 시도한다.적혈구 응집 작용은 혈액의 점도와 [16]순환에 직접적인 영향을 미칩니다.치질학의 기반은 또한 다른 생체 [15]플루의 모델링에 대한 정보를 제공할 수 있다.가교 또는 "교차" 가설은 고분자가 물리적으로 인접한 적혈구를 루루 구조로 가교한다는 것을 암시합니다.이것은 적혈구 표면에 고분자를 [15][16]흡착함으로써 발생한다.고갈층 가설은 정반대의 메커니즘을 제시한다.적혈구의 표면은 고갈층이 [15]겹치면서 생기는 삼투압 구배에 의해 함께 결합된다.루로 응집 경향의 영향은 전혈류 [15]레올로지에서의 헤마토크릿과 피브리노겐 농도로 설명할 수 있다.연구자들이 사용하는 몇몇 기술은 [16]시험관내 세포 상호작용을 측정하기 위한 광학 포획과 미세 유체 공학이다.

질병 및 진단

점도의 변화는 고점도, 고혈압, 겸상적혈구 빈혈, [15]당뇨병과 관련이 있는 것으로 나타났다.예방 조치 및 진단 [15][17]도구 역할을 하는 치질학적 측정 및 게놈 검사 기술.

치질학은 노화 영향, 특히 혈액 유동성 장애와도 관련이 있으며, 연구 결과 신체 활동이 혈액 유동학의 [18]비후화를 개선할 수 있는 것으로 나타났다.

동물학

많은 동물들이 유동학적 현상을 이용하는데, 예를 들어 마른 모래의 입상 유동학을 이용하여 "수영"하는 사어나 달팽이 슬라임을 점착성 이동에 사용하는 육지 복족류 등이 그것이다.어떤 동물들은 먹이를 고정시키기 위해 벨벳 벌레에 의해 생성된 끈적끈적한 점액이나 [19]포식자를 막기 위해 먹이가 분비하는 빠른 젤링 상태의 수중 점액과 같은 특수한 내생 복합 액체를 생산한다.

식품유전체학

식품유전체학은 치즈나 젤라토와 [21]같은 식품의[20] 제조와 가공에 중요하다.

증점제 또는 증점제는 수성 혼합물에 첨가되었을 때 맛과 같은 다른 특성을 실질적으로 수정하지 않고 점도를 높이는 물질입니다.보디 제공, 안정성 향상, 첨가 성분 현탁 개선.증점제는 식품첨가물, 화장품 및 개인위생제품으로 자주 사용된다.몇몇 증점제는 젤을 형성하는 겔화제이다.용액은 액체 용액, 유화액 및 현탁액을 농후화하고 안정시키는 데 사용되는 물질입니다.그것들은 약하게 응집된 내부 구조를 형성하는 콜로이드 혼합물로 액체 단계에서 용해된다.음식 증점제는 종종 다당류 또는 [22][23]단백질에 기초한다.

콘크리트 레올로지

콘크리트와 모르터의 작업성은 신선한 시멘트 페이스트의 레올로지 특성과 관련이 있습니다.경화 콘크리트의 기계적 특성은 콘크리트 혼합 설계에 사용되는 물이 적으면 증가하지만, 물 대 시멘트의 비율을 낮추면 혼합 및 도포의 용이성이 떨어질 수 있다.이러한 바람직하지 않은 영향을 피하기 위해 일반적으로 슈퍼 가소성제를 첨가하여 겉으로 보이는 항복 응력과 신선 페이스트의 점도를 낮춥니다.콘크리트 및 모르타르 특성을 [24]크게 개선합니다.

충전 폴리머 레올로지

다양한 유형의 필러를 폴리머에 통합하는 것은 비용을 절감하고 결과물에 특정한 바람직한 기계적, 열적, 전기적 및 자기적 특성을 부여하는 일반적인 방법입니다.충전 폴리머 시스템이 제공하는 이점은 레올로지 [25]거동의 복잡성을 증가시킵니다.

일반적으로 필러의 사용을 고려할 때, 한쪽 면의 고체 상태에서의 개선된 기계적 특성과 용해 처리의 증가, 폴리머 매트릭스에서 필러의 균일한 분산을 달성하는 문제, 그리고 첨가된 혼합 단계로 인한 공정의 경제성 사이에 타협이 이루어져야 합니다.다른.충전 폴리머의 레올로지 특성은 필러의 종류와 양뿐만 아니라 입자의 형태, 크기 및 크기 분포에 의해 결정됩니다.충전 시스템의 점도는 일반적으로 필러 분율이 증가함에 따라 증가합니다.이는 패리스 효과를 통해 광범위한 입자 크기 분포를 통해 부분적으로 개선될 수 있다.또 다른 요인은 필러 폴리머 인터페이스에서의 응력 전달입니다.계면 접착력은 폴리머와 필러 입자에 모두 잘 부착되는 결합제를 통해 크게 향상될 수 있습니다.따라서 필러의 표면 처리 유형과 양은 채워진 고분자 시스템의 레올로지 및 재료 특성에 영향을 미치는 추가적인 매개 변수입니다.

고충전 재료의 레올로지 특성을 측정할 때 벽면 슬립을 고려하는 것이 중요하다. 실제 변형률과 측정된 [26]변형률 사이에 큰 차이가 있을 수 있기 때문이다.

레올로지스트

유동학자는 복합 액체의 흐름이나 연질 고체의 변형을 연구하는 학제 간 과학자 또는 기술자입니다.그것은 1차 학위 과목이 아니다; 레올로지스트의 자격은 없다.대부분의 유동학자는 수학, 물리과학(화학, 물리, 지질학, 생물학), 공학(기계, 화학, 재료과학, 플라스틱 공학, 토목공학, 토목공학) 또는 특정 기술(특히 재료 또는 식품)에 대한 자격을 가지고 있습니다.일반적으로 학위를 취득할 때 소량의 레올로지를 학습할 수 있지만 레올로지에 종사하는 사람은 대학원 연구 중 또는 단기 과정에 참석하거나 전문 협회에 가입함으로써 이러한 지식을 넓힐 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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