黏弹性

黏弹性（viscoelasticity）在材料科学和连续介质力学中，是指当材料受力而形变时，同时表现出黏性和弹性的特性。黏性材料例如水，在受到应力时会抵抗剪切流动，并且会随著时间线性地伸长。弹性材料在拉伸时会产生变形，压力移除后会立即回复到原始状态。日常生活中有许多具有黏弹性特性的材料。

黏弹性材料具有这两种特性的元素，因此表现出时间依赖性形变。弹性通常是由有序固体中沿著晶体学平面的键伸展引起的，而粘度则是由非晶质材料中的原子或分子扩散引起的。

背景

在19世纪，像马克思威尔、波兹曼和克尔文这样的物理学家研究和实验了玻璃、金属和橡胶的潜变和恢复现象。当合成高分子聚合物被开发并应用于各种应用中时，黏弹性在20世纪后期进一步得到研究。黏弹性的计算很大部分取决于黏度 η 。 η 的倒数也被称为流动性 φ 。若要计算黏度和流动性的任一值，可以以温度的函数或作为给定值(例如计算活塞黏性)而导出。

不同种类材料，有不同的应变速率(${\displaystyle d\varepsilon /dt}$)对剪切应力反应 (${\displaystyle \sigma }$)。

根据材料内的应变速率对应应力的变化，黏度可以分为线性、非线性或塑性反应。当材料表现出线性反应时，被归类为牛顿流体。在这种情况下，应力与应变速率成线性比例关系。如果材料对应变速率呈非线性反应，它被归类为非牛顿流体。还有一种有趣的情况是，粘度随著剪切/应变速率保持恒定而降低。展现这种行为的材料被称为塑性流体。此外，当应力与应变速率无关时，材料表现出塑性变形。许多黏弹性材料表现出类似于橡胶的行为，可以通过聚合物弹性的热力学理论解释。

一些黏弹性材料的例子包括非晶聚合物、半晶聚合物、生物聚合物、极高温下的金属和沥青材料。当应变在弹性极限之外且快速施加时，材料会出现裂纹。生物组织中，韧带和肌腱也黏弹性的，因此它们潜在的损坏程度取决于其长度变化的速率和施加的力量。日常生活中也有许多例子，例如塑胶或是鸡蛋的蛋清。部分塑胶施加拉伸应力之后变形，之后则慢慢地恢复原状。而鸡蛋的蛋清看上去像液体，但取出之前在搅拌的筷子，蛋清多少会恢复原先的形状。

一个黏弹性材料具有以下特性：

• 在应力-应变曲线中可见迟滞现象
• 出现应力松弛：保持一定应变引起应力降低
• 出现潜变：保持一定应力导致应变增加
• 它的刚度取决于应变速率${\displaystyle {\dot {\varepsilon }}}$或应力速率${\displaystyle {\dot {\sigma }}}$

弹性与黏弹性比较

纯弹性材料 (a) 和黏弹性材料 (b) 的应力-应变曲线 。红色区域代表材料在荷载和卸载周期中，因迟滞现象形成的反应路径，同时也代表材料的能量损耗(以热能形式)，数学是可以 ${\textstyle \oint \sigma \,d\varepsilon }$ 表示，其中 ${\displaystyle \sigma }$ 为应力、 ${\displaystyle \varepsilon }$ 为应变。

与纯粹的弹性物质不同，黏弹性物质具有弹性和黏性成分。黏弹性物质的黏度使物质对时间具有应变速率依赖性。纯弹性材料在施加负载后不会消散能量（以热能形式），当施力被移除时亦然。然而，黏弹性物质在施加负载后消耗能量，当施力被移除时亦然。应力-应变曲线上观察到潜变，其环状区域等于在荷载的周期中失去的能量。由于黏度是对热激活的塑性变形的阻力，黏性材料将在荷载的周期中失去能量。塑性变形会导致能量损失，这是纯弹性材料对荷载周期反应的非典型特征。

具体而言，黏弹性是一种分子重排。当应力施加到黏弹性材料（如高分子）上时，长链高分子的部分位置会改变。这种移动或重排被称为潜变。即使当其链的部分正在重新排列以配合应力时，高分子仍然保持固体物质，并且随著移动会在材料中产生一个背向应力。当背向应力与施加应力的大小相同时，材料不再蠕变。当初始应力被移除时，积累的背向应力将使高分子恢复到其原始形状。材料会蠕变，这给出了前缀黏-，并且材料完全恢复，这给出了后缀-弹性性。