旋轉(zhuǎn)流變儀工作原理

旋轉(zhuǎn)流變儀根據(jù)其等級大致可以劃分為兩種，一種是以機械軸承馬達為核心測量結(jié)構(gòu)的低等級旋轉(zhuǎn)流變儀，基本要求是可以進行連續(xù)的轉(zhuǎn)速控制，一般只具有穩(wěn)態(tài)測量功能，可以測量黏度η、流動曲線、屈服應(yīng)力、觸變性等流變學特性，但測量范圍比較小。

另一種是以空氣軸承馬達為核心測量結(jié)構(gòu)的高等級旋轉(zhuǎn)流變儀，基本要求是可以進行連續(xù)的轉(zhuǎn)速控制、可以產(chǎn)生正弦波應(yīng)變或應(yīng)力，具有穩(wěn)態(tài)測量、動態(tài)測量、瞬態(tài)測量功能，可以測量黏度、流動曲線、屈服應(yīng)力、觸變性、復數(shù)模量G*、儲能模量G'、損耗模量G"、Tanδ、應(yīng)力松弛、蠕變等流變學特性，測量范圍比較寬。

1）旋轉(zhuǎn)流變儀測量系統(tǒng)與樣品接觸，并施加載荷，并在穩(wěn)態(tài)或動態(tài)模式下測量扭矩，用夾具系數(shù)將物理量（扭矩、轉(zhuǎn)速）轉(zhuǎn)化為流變學的參數(shù)（剪切速率、剪切應(yīng)力、儲能模量、損耗模量、Tanδ），常用測量系統(tǒng)有：

a. 平行板

b. 同心圓筒

c. 錐/平板

d.固體扭擺夾具

e.熔體拉伸夾具

2）旋轉(zhuǎn)流變儀的控溫系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)流變儀具有多種控溫系統(tǒng)可選，等級越高的流變儀可選的控溫系統(tǒng)越多，溫度范圍越寬；低等級旋轉(zhuǎn)流變儀一般使用液體循環(huán)器作為控溫設(shè)備，高等級旋轉(zhuǎn)流變儀一般可選半導體控溫、電加熱控溫、對流輻射爐控溫等，一般適用范圍大致如下：

半導體控溫（Peltier）：一般在200℃以下，是使用最廣泛、最方便的控溫方式；

電加熱控溫：一般在400℃以下，應(yīng)用于聚合物熔體等材料的測試；

對流輻射控溫爐：一般可達到600℃，低溫可達-150℃左右，特殊的可達1000℃，主要應(yīng)用于高溫熔體、固體、玻璃熔體、低溫合金熔體等材料；

3)流變儀測量的邊界條件有以下幾個方面

1.流動必須是層流

2.測試過程必須是穩(wěn)態(tài)流動

3.樣品與轉(zhuǎn)子之間沒有滑移

4. 樣品是均勻的

在選擇和使用旋轉(zhuǎn)流變儀時，要考慮的重要技術(shù)參數(shù)包括馬達類型、扭矩范圍、馬達慣量，轉(zhuǎn)子材質(zhì)以及應(yīng)力應(yīng)變控制能力、轉(zhuǎn)速范圍、頻率范圍、溫度范圍、使用方便性等。

馬達類型：馬達類型常用的分別為直流馬達及拖杯馬達。

拖杯馬達也成為拖曳馬達，具有質(zhì)量輕，是慣量最小的馬達，在應(yīng)力階躍測試及變頻等測試中具有快速響應(yīng)并且信噪比高的優(yōu)點；而拖杯馬達可以實現(xiàn)快速地應(yīng)力控制，但其線圈質(zhì)量大導致轉(zhuǎn)動慣量大，在高頻振蕩實驗及應(yīng)力階躍等變速變頻應(yīng)用中的特性不如拖杯馬達。

扭矩范圍：常見有效的扭矩范圍在1uNm-200mNm，市場各種廠家的最低扭矩參數(shù)都宣稱達到nNm，但測試真實可靠的數(shù)據(jù)建議扭矩不低于1uNm. 過低的扭矩并不能代表儀器的真實測試能力，還需要結(jié)合設(shè)備的慣量以及信噪比的大小。低于1uNm的數(shù)據(jù)受儀器自身的狀態(tài)及樣品慣量等多種因素影響，數(shù)據(jù)僅供參考，不具有特征代表性。

馬達慣量：旋轉(zhuǎn)流變儀的轉(zhuǎn)動單元由馬達及連接的轉(zhuǎn)子構(gòu)成，兩者的慣量大小對于應(yīng)力階躍測試及變頻測試都至關(guān)重要，并且能夠從本質(zhì)上提高低扭矩條件下的信噪比，提高樣品的測試有效性。拖杯馬達在這一方面具有極大優(yōu)勢，在上述測試條件下，具有更好的數(shù)據(jù)準確性和精度。當前研究級設(shè)備采用拖杯馬達，慣量都可以控制在25一下，最低慣量甚至可達到10，而采用直流馬達一般都在100及以上。

轉(zhuǎn)子慣量及材質(zhì)：轉(zhuǎn)子的材質(zhì)一般為鋁合金，不銹鋼及鈦合金等材質(zhì)，從測試精度及耐腐蝕，清潔角度來選擇的話，鈦合金轉(zhuǎn)子最佳，但成本最高。不銹鋼轉(zhuǎn)子耐磨，但耐腐蝕性及易清潔性不如鈦合金，并且轉(zhuǎn)動慣量最大。鋁合金轉(zhuǎn)子慣量小，價格最便宜，不耐磨，并且高溫（300℃以上）下易變形，常用做一次性轉(zhuǎn)子使用。

旋轉(zhuǎn)流變儀由主機、測量系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)、計算機和其他輔助設(shè)備（如空氣壓縮機、水浴等）組成。

1. 根據(jù)應(yīng)用條件和預(yù)算情況選擇主機，主要參考主機的扭矩范圍、馬達類型、功能參數(shù)等；

2. 根據(jù)樣品的測試條件選擇控溫系統(tǒng)，主要考慮溫度范圍、樣品的形態(tài)、氣氛保護等；

3. 根據(jù)樣品在測試時的黏度范圍和形態(tài)選擇測量系統(tǒng)：

a)對較粘稠的流體、膏體、霜劑、溶液等樣品，選擇平行板或錐板：常見平行板和錐半直徑范圍在8mm到60mm之間，常用直徑為25mm、50mm等，一般各配置2個左右，樣品黏度越小使用的平行板直徑越大；錐板的錐度一般在0.5°到4°之間，常用的是1°錐板，需要的剪切速率越大黏度越小，則錐度越小。

b）同心圓筒：適用于測量低粘度流體，以及易揮發(fā)的樣品，或者含有固體顆粒的樣品；圓筒直徑10mm到40mm，樣品黏度越小使用的圓筒直徑越大。

c）其他測量系統(tǒng)：固體扭擺、拉伸夾具、攪拌槳轉(zhuǎn)子等。

1. 空氣軸承流變儀使用時，必須確保壓縮空氣起源工作正常，保持提供符合壓力和潔凈度要求的壓縮空氣；

2. 使用環(huán)境溫度在15℃-35℃，無陽光直射；

3. 實驗臺穩(wěn)固，不能有明顯的震動，無強磁場強電場干擾；

4. 測試以前按規(guī)定的步驟標定和校準流變儀；

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MCR流變儀包含馬達與傳感器一體（CMT）、馬達與傳感器分離（SMT）、雙馬達反向同步運動、旋轉(zhuǎn)馬達與線性運動馬達聯(lián)合等工作模式，可研究低粘度液體、分散性懸浮體系、膏狀半固體、凝膠狀軟固體、高溫熔體、有化學反應(yīng)過程的單組份或雙組分體系、高彈性固體、硬質(zhì)固體、粉末狀樣品、固體表面、智能流體等材料的宏觀流變行為和微觀結(jié)構(gòu)特性。