流变仪的多样性测试模式，该如何选？

流变仪是研究材料流动和变形特性的核心仪器，其常用测试模式根据受力方式（剪切、拉伸）、应力/应变控制方式以及动态/静态状态可分为多种类型，适用于不同材料（高分子、胶体、涂料、生物材料等）的性能分析。以下是流变仪的常用模式及典型应用：

1. 剪切模式（最常用）

通过样品受到的剪切力或剪切应变，分析其粘性（流动）和弹性（形变恢复）特性，适用于大多数流体和软固体（如溶液、熔体、凝胶）。  

核心参数：剪切应力、剪切应变、剪切速率、粘度、储能模量，弹性指标）、损耗模量，粘性指标）等。  

2. 拉伸模式

对样品施加拉伸力（如拉伸应力或拉伸应变），研究材料在拉伸状态下的流动和变形（如纤维纺丝、薄膜成型过程）。  

适用场景：高分子熔体的拉伸粘度（评估拉伸流动性，与薄膜吹塑、纺丝工艺密切相关）、弹性体的拉伸弹性等。  

特点：对样品形状和夹具要求较高（需避免剪切干扰），应用范围较剪切模式窄。  

1. 静态（稳态）测试模式

在恒定的剪切速率或剪切应力下，监测材料的响应（如粘度随时间或剪切条件的变化），反映材料的稳态流动行为。  

（1）剪切速率扫描（控制速率模式，CR）  

  操作：从低到高连续改变剪切速率，测定对应的剪切应力，计算粘度。  

  应用：分析材料的“剪切变稀”或“剪切增稠”特性。  

    例：涂料在低剪切下粘度高（防流挂），高剪切下粘度低（易涂刷），通过此模式可量化其流变行为。  

    

（2）剪切应力扫描（控制应力模式，CS）  

  操作：从低到高施加剪切应力，测定对应的剪切速率，计算粘度。  

  应用：确定材料的“屈服应力”（材料开始流动所需的最小应力），如牙膏（静止时不流动，施加一定应力后流动）。  

（3）时间扫描（恒温恒剪切条件）  

  操作：在固定剪切速率/应力和温度下，监测粘度随时间的变化。  

  应用：分析材料的“触变性”（如油墨静置变稠，搅拌后变稀，且随时间恢复）或“老化”（如胶体的粘度随时间上升）。 

2. 动态（振荡）测试模式

对样品施加周期性交变剪切（小振幅），通过监测应力与应变的相位差，区分材料的弹性和粘性贡献，反映材料的粘弹性（兼具固体弹性和液体粘性的特性）。  

 核心原理：

  施加正弦应变，测量响应应力。  

  储能模量G’ （弹性贡献），损耗模量G” （粘性贡献），损耗因子tandelta（反映粘弹性比例）。  

（1）频率扫描  

  操作：固定温度和应变振幅（在“线性粘弹区”内，确保形变不破坏材料结构），改变振荡频率，测定(G’、(G”随频率的变化。  

  应用：模拟材料在不同“作用速度”下的行为（如高频对应快速加工，低频对应缓慢变形）。  

    例：橡胶在高频下G’高（弹性好，抗快速形变），低频下G”占比上升（略有粘性流动）。  

（2）温度扫描  

  操作：固定频率和应变振幅，在程序控温（升温/降温）下，监测G’、G”、tandelta的变化。  

  应用：分析材料的热致相变，如高分子的玻璃化转变温度（Tg），(G’)会急剧下降，(tandelta)出现峰值）、凝胶-溶胶转变（G’与G”交叉点）。 

（3）应变扫描  

  操作：固定温度和频率，改变应变振幅，确定材料的“线性粘弹区”（G’)、(G”)不随应变变化的区域）。  

  意义：为动态测试（如频率扫描）确定合适的应变范围，避免大应变破坏材料结构（如凝胶被剪切破坏）。  

1. 蠕变与回复测试

蠕变：在恒定剪切应力下，监测应变随时间的变化（反映材料在持续应力下的流动和形变累积，如胶粘剂长期受力后的形变）。  

回复：移除应力后，监测应变的恢复程度（评估材料的弹性恢复能力）。  

2. 屈服应力测试

通过逐步增加应力，测定材料从“固态”（弹性主导）转变为“液态”（流动主导）的临界应力（屈服应力），适用于牙膏、钻井液、食品胶体等非牛顿流体。  

总结：模式选择依据

看材料状态：流体侧重稳态剪切（粘度），软固体/凝胶侧重动态振荡（G’），（G”）。  

看研究目标：加工流动性选剪切速率扫描，热稳定性选动态温度扫描，长期使用性能选蠕变测试。  

看材料特性：非牛顿流体需测剪切变稀/增稠，粘弹性材料需测(G’)与(G”)的比例。  

流变仪的多种模式可全面表征材料的力学行为，是材料研发、工艺优化和质量控制的重要工具。

本文源自微信公众号：科研测试站

原文标题：《流变仪的多样性测试模式，该如何选？》

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