許多復雜流體,例如形成網(wǎng)絡的聚合物、表面活性劑中間相、濃縮的乳液,它們在靜止狀態(tài)下不流動,直到施加的應力超出一定的臨界值,即屈服應力。這類行為即所謂屈服流動行為。由此屈服應力定義為要使樣品發(fā)生流動所需施加的最小應力。低于該屈服應力,樣品將表現(xiàn)為彈性變形(類似拉伸彈簧),高于此屈服應力,樣品將像液體一樣流動。
大多數(shù)帶屈服應力的流體可視為有一結(jié)構(gòu)骨架延伸在整個材料體積中。骨架的力量由分散相的結(jié)構(gòu)及其交互作用所控制。連續(xù)相通常為低粘度,然而,引入高的分散相體積比,可以上千倍地增加體系粘度,并使樣品在靜止時表現(xiàn)出類似固體的行為。這類材料經(jīng)常被稱為粘彈性材料。
由懸浮固體顆粒+牛頓流體組成的濃懸浮液經(jīng)??捎谜硰椥阅P蛠砻枋?。這類材料經(jīng)常表現(xiàn)出表觀的屈服應力,以及在屈服應力之上的接近牛頓流體的流動行為。Bingham模型的數(shù)學形式可表達為:此處σ0為屈服應力,ηB為Bingham粘度或塑性粘度。注意Bingham粘度不是實際粘度,它僅用于描述曲線的牛頓部分的斜率。另一可替代Bingham的模型為Casson模型。這一模型將Bingham方程中的各項均加上了指數(shù)0.5,因此在屈服區(qū)與牛頓區(qū)之間有一個更漸進的轉(zhuǎn)變。對于許多材料,這一模型會比Bingham模型擬合得更好,特別是經(jīng)常用于表征油墨與巧克力。
Casson方程可以寫成這種形式:此處σ0為屈服應力。ηC為Casson粘度,近似高剪切速率下的粘度。另一屈服應力模型為Herschel-Bulkley模型。與Bingham方程不同的是,這一模型描述了屈服之后的非牛頓行為,本質(zhì)上是帶屈服應力項的冪率模型。Herschel-Bulkley方程可寫為如下形式:此處k為稠度系數(shù)。n為冪指數(shù),其取值決定了材料是表現(xiàn)為剪切致稀行為(n < 1),還是剪切增稠行為(n > 1)。Herschel-Bulkley與Bingham類型流體的典型的剪切應力對剪切速率曲線。注意,這些圖形使用了線性坐標,若在對數(shù)坐標下展示(這種表現(xiàn)形式更常見),將變?yōu)椴煌男螤睢?/span>
為了確定哪一模型最合適,需要在整個剪切速率范圍內(nèi)測量穩(wěn)態(tài)剪切應力,并使用各模型對數(shù)據(jù)進行擬合。相關(guān)系數(shù)將是擬合質(zhì)量的很好的表征。擬合所使用的數(shù)據(jù)范圍將對結(jié)果有影響,因為可能其中一個模型適合于擬合低剪切速率數(shù)據(jù),另一模型適合于高剪切速率數(shù)據(jù)。
需要注意的是,通過模型擬合得到的屈服應力值經(jīng)常被稱為動態(tài)屈服應力,以相對于其他方法(如應力線性掃描或應力增長模式)得到的靜態(tài)屈服應力。動態(tài)屈服應力定義為維持流動所需的最小應力,靜態(tài)屈服應力則定義為引起流動所需的最小應力,該值通常高于動態(tài)屈服應力。通常當關(guān)注引起材料流動(例如泵送)所需的初始應力時,需測量靜態(tài)屈服應力;而動態(tài)屈服應力更適合于維持流動,或在流動已經(jīng)開始后停止流動所需的應力。