Viskoelastizität – Wikipedia

Viskoelastizität ist die Eigenschaft von Materialien, die bei Verformung sowohl viskose als auch elastische Eigenschaften aufweisen. Viskose Materialien wie Wasser widerstehen dem Scherfluss und dehnen sich linear mit der Zeit, wenn eine Spannung angelegt wird. Elastische Materialien dehnen sich beim Dehnen und kehren sofort in ihren ursprünglichen Zustand zurück, sobald die Spannung beseitigt ist.

Viskoelastische Materialien weisen Elemente dieser beiden Eigenschaften auf und weisen als solche eine zeitabhängige Dehnung auf. Während die Elastizität normalerweise das Ergebnis einer Bindungsdehnung entlang kristallographischer Ebenen in einem geordneten Feststoff ist, ist die Viskosität das Ergebnis der Diffusion von Atomen oder Molekülen innerhalb eines amorphen Materials.[1]

Hintergrund[edit]

Im neunzehnten Jahrhundert erforschten und experimentierten Physiker wie Maxwell, Boltzmann und Kelvin mit dem Kriechen und der Rückgewinnung von Gläsern, Metallen und Kautschuken. Die Viskoelastizität wurde im späten 20. Jahrhundert weiter untersucht, als synthetische Polymere hergestellt und in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet wurden.[2] Viskoelastizitätsberechnungen hängen stark von der Viskositätsvariablen η ab. Die Umkehrung von η ist auch als Fluidität φ bekannt. Der Wert von kann entweder als Funktion der Temperatur oder als gegebener Wert (dh für einen Dashpot) abgeleitet werden.[1]

Verschiedene Arten von Antworten (

Abhängig von der Änderung der Dehnungsrate gegenüber der Spannung innerhalb eines Materials kann die Viskosität als linear, nicht linear oder plastisch eingestuft werden. Wenn ein Material eine lineare Reaktion zeigt, wird es als Newtonsches Material kategorisiert. In diesem Fall ist die Spannung linear proportional zur Dehnungsrate. Wenn das Material eine nichtlineare Reaktion auf die Dehnungsrate zeigt, wird es als nicht-Newtonsche Flüssigkeit kategorisiert. Es gibt auch einen interessanten Fall, in dem die Viskosität abnimmt, wenn die Scher- / Dehnungsrate konstant bleibt. Ein Material, das diese Art von Verhalten zeigt, ist als thixotrop bekannt. Wenn die Spannung unabhängig von dieser Dehnungsrate ist, zeigt das Material außerdem eine plastische Verformung.[1] Viele viskoelastische Materialien zeigen ein gummiartiges Verhalten, das durch die thermodynamische Theorie der Polymerelastizität erklärt wird.

Einige Beispiele für viskoelastische Materialien umfassen amorphe Polymere, teilkristalline Polymere, Biopolymere, Metalle bei sehr hohen Temperaturen und Bitumenmaterialien. Risse treten auf, wenn die Dehnung schnell und außerhalb der Elastizitätsgrenze angewendet wird. Bänder und Sehnen sind viskoelastisch, so dass das Ausmaß der möglichen Schädigung sowohl von der Änderungsrate ihrer Länge als auch von der ausgeübten Kraft abhängt.[citation needed]

Ein viskoelastisches Material hat die folgenden Eigenschaften:

Elastisches versus viskoelastisches Verhalten[edit]

Spannungs-Dehnungs-Kurven für ein rein elastisches Material (a) und ein viskoelastisches Material (b). Der rote Bereich ist eine Hystereseschleife und zeigt die Menge an Energie, die (als Wärme) in einem Lade- und Entladezyklus verloren geht. Es ist gleich

Im Gegensatz zu rein elastischen Substanzen hat eine viskoelastische Substanz eine elastische Komponente und eine viskose Komponente. Die Viskosität einer viskoelastischen Substanz verleiht der Substanz eine zeitabhängige Dehnungsrate. Rein elastische Materialien geben beim Aufbringen einer Last keine Energie (Wärme) ab und werden dann entfernt. Eine viskoelastische Substanz leitet jedoch Energie ab, wenn eine Last aufgebracht und dann entfernt wird. In der Spannungs-Dehnungs-Kurve wird eine Hysterese beobachtet, wobei die Fläche der Schleife gleich der Energie ist, die während des Belastungszyklus verloren geht. Da die Viskosität der Widerstand gegen thermisch aktivierte plastische Verformung ist, verliert ein viskoses Material während eines Belastungszyklus Energie. Eine plastische Verformung führt zu einem Energieverlust, der für die Reaktion eines rein elastischen Materials auf einen Belastungszyklus untypisch ist.[1]

Insbesondere ist die Viskoelastizität eine molekulare Umlagerung. Wenn ein viskoelastisches Material wie ein Polymer belastet wird, ändern Teile der langen Polymerkette ihre Position. Diese Bewegung oder Umlagerung wird als Kriechen bezeichnet. Polymere bleiben ein festes Material, selbst wenn sich diese Teile ihrer Ketten neu anordnen, um die Spannung zu begleiten, und wenn dies auftritt, erzeugt es eine Rückspannung im Material. Wenn die Rückspannung die gleiche Größe wie die angelegte Spannung hat, kriecht das Material nicht mehr. Wenn die ursprüngliche Spannung weggenommen wird, führen die akkumulierten Rückspannungen dazu, dass das Polymer in seine ursprüngliche Form zurückkehrt. Das Material kriecht, was das Präfix visko- ergibt, und das Material erholt sich vollständig, was das Suffix -elastizität ergibt.[2]

Lineare Viskoelastizität ist, wenn die Funktion sowohl in der Kriechreaktion als auch in der Last trennbar ist. Alle linearen viskoelastischen Modelle können durch eine Volterra-Gleichung dargestellt werden, die Spannung und Dehnung verbindet: