Вязкость аморфных материалов

Вязкость аморфных материалов (например, стекла или расплавов) — это термически активизируемый процесс^[7]:

где   — энергия активации вязкости (кДж/моль),   — температура (К),   — универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/моль·К) и   — некоторая постоянная.

Вязкое течение в аморфных материалах характеризуется отклонением от закона Аррениуса: энергия активации вязкости   изменяется от большой величины   при низких температурах (в стеклообразном состоянии) на малую величину   при высоких температурах (в жидкообразном состоянии). В зависимости от этого изменения аморфные материалы классифицируются либо как сильные, когда  , или ломкие, когда  . Ломкость аморфных материалов численно характеризуется параметром ломкости Доримуса  : сильные материалы имеют  , в то время как ломкие материалы имеют  .

Вязкость аморфных материалов весьма точно аппроксимируется двуэкспоненциальным уравнением:

с постоянными  ,  ,  ,   и  , связанными с термодинамическими параметрами соединительных связей аморфных материалов.

В узких температурных интервалах недалеко от температуры стеклования   это уравнение аппроксимируется формулами типа VTF или сжатымиэкспонентами Кольрауша.

Вязкость

Если температура существенно ниже температуры стеклования  , двуэкспоненциальное уравнение вязкости сводится к уравнению типа Аррениуса

с высокой энергией активации  , где   — энтальпия разрыва соединительных связей, то есть создания конфигуронов, а   — энтальпия их движения. Это связано с тем, что при   аморфные материалы находятся в стеклообразном состоянии и имеют подавляющее большинство соединительных связей неразрушенными.

При   двуэкспоненциальное уравнение вязкости также сводится к уравнению типа Аррениуса

но с низкой энергией активации  . Это связано с тем, что при   аморфные материалы находятся в расправленном состоянии и имеют подавляющее большинство соединительных связей разрушенными, что облегчает текучесть материала.

Относительная вязкость

В технических науках часто пользуются понятием относительной вязкости, под которой понимают отношение коэффициента динамической вязкости (см. выше) раствора к коэффициенту динамической вязкости чистого растворителя:

где μ — динамическая вязкость раствора; μ₀ — динамическая вязкость растворителя.

 Молекулярно-кинетическая теория объясняет Вязкость движением и взаимодействием молекул.

  В жидкостях, где расстояния между молекулами много меньше, чем в газах, Вязкость обусловлена в первую очередь межмолекулярным взаимодействием, ограничивающим подвижность молекул. В жидкости молекула может проникнуть в соседний слой лишь при образовании в нём полости, достаточной для перескакивания туда молекулы. На образование полости (на «рыхление» жидкости) расходуется так называемая энергия активации вязкого течения. Энергия активации уменьшается с ростом температуры и понижением давления. В этом состоит одна из причин резкого снижения Вязкость жидкостей с повышением температуры (рис. 3) и роста её при высоких давлениях. При повышении давления до нескольких тыс. атмосфер h увеличивается в десятки и сотни раз. Строгая теория Вязкость жидкостей, в связи с недостаточной разработанностью теории жидкого состояния, ещё не создана. На практике широко применяют ряд эмпирических и полуэмпирических формул Вязкость, достаточно хорошо отражающих зависимость Вязкость отдельных классов жидкостей и растворов от температуры, давления и химического состава.

Основной закон вязкого течения был установлен И. Ньютоном (1687):   

где F — тангенциальная (касательная) сила, вызывающая сдвиг слоёв жидкости (газа) относительно друг друга; S — площадь слоя, по которому происходит сдвиг; (v₂ — v_l)/(z₂ — z₁) — градиент скорости течения (быстрота изменения её от слоя к слою), иначе — скорость сдвига (см. рис. 1). Коэффициент пропорциональности h называется коэффициентом динамической вязкости или просто Вязкость Он количественно характеризует сопротивление жидкости (газа) смещению её слоёв. Величина, обратная Вязкость, j =¹/_h называется текучестью.