Viscoelasticiteit

Viscoelasticiteit is de eigenschap van materialen om zowel elastisch als viskeus te reageren op mechanische belastingen. Een elastische reactie is vrijwel onmiddellijk en laat het materiaal terugkeren naar zijn oorspronkelijke vorm, terwijl een viskeuze reactie tijdafhankelijk is en kan leiden tot blijvende vervorming. Daarom hangt de mate van vervorming af van de belastingduur en de verversnelheid. Bij viscoelastische materialen treden verschijnselen op zoals creep (toename van vervorming onder constante spanning), spanningsrelaxatie (afname van spanning onder constante vervorming en schommelingen bij herhaalde belading), en hysterese bij cyclic loading.

Oorzaken liggen in de moleculaire structuur, zoals lange polymerketens, kruisverbanden en beperkte mobiliteit van de moleculen. Bij snelle belastingen gedragen ketens en netwerken zich elastisch, terwijl bij langzamere vervorming ketenverplaatsingen en viskeuze stroming toeneemt. Temperatuur speelt een cruciale rol: hogere temperatuur verlaagt de viskeuze weerstand en bevordert deformation.

Modellering gebeurt met constitutieve modellen. Het Maxwell-model combineert een schakelaar en een demper in serie en voorspelt creep onder constante spanning; het Kelvin-Voigt-model gebruikt demper en schakelaar in parallel en toont onmiddellijke vervorming die exponentieel naar een eindwaarde convergeert; het Standard Linear Solid-model combineert deze elementen voor realistischere reacties. In dynamische tests worden opslagmodulus G' en verliesmodulus G'' gemeten; het complex modulus G* = G' + iG'' geeft de verhouding tussen elastische en viskeuze respons weer, met de fasehoek delta als maat voor het gedrag.

Meetmethoden zijn dynamische mechanische analyse (DMA) en rheometrie, evenals creep- en spanningsrelaxatietests. Het tijd- en temperatuurafhankelijke gedrag wordt beschreven met tijd-temperatuursverplaatsing (time-temperature superposition) en formules zoals de WLF-relatie.

Toepassingen zijn onder meer polymeerengineering, coatings, demping en trillingsreductie, evenals biomechanische materialen zoals weefsels en botten. Viscoelasticiteit is daarmee essentieel voor ontwerp, diagnostiek en verwerking van materialen.