Viskoelastisuus

Viskoelastisuus on materiaalin ominaisuus, jossa yhdistyvät sekä elastinen että viskoosi vaste. Elastinen osa antaa palautuvan muodon, kun taas viskoosi osa aiheuttaa ajan myötä tapahtuvaa muodonmuutosta ja energian dissipointia. Viskoelastiset materiaalit käyttäytyvät siten sekä kuten kimmoisesti että kuten viskoosisti käyttäytyvät, ja niiden vaste riippuu ajasta ja kuormituksesta.

Kuormitukseen liittyy ajan ja taajuuden funktio. Esimerkiksi creep- eli ajan dependent muodonmuutos tapahtuu, kun kuorma pysyy päällä, ja stressin-relaksaatio tarkoittaa sitä, että stressi pienenee ajan kuluessa samalla kuormituksella. Taajuusvaste ilmenee monimutkaisena ilmiönä, jossa ilmenevät sekä varastointi- (storage) että häviö- (loss) moduulit; näitä kuvataan usein kompleksisella moduulilla ja sen osien avulla.

Mallit viskoelastiselle käyttäytymiselle kattavat erilaisia yksinkertaistuksia. Tärkeimpiä perusmalleja ovat Maxwellin malli, Kelvin-Voigtin malli ja Zenerin (standardoitu lineaarimalli) malli. Näillä voidaan kuvata erilaisia vasteita ajanjaksoissa ja taajuuksissa. Laajennuksena käytetään monikomponenttisia malleja kuten Prony-sarjoja, jotka kuvaavat laajaa aikaskaalaa ja moninaisia vastemuotoja.

Mittaaminen ja sovellukset: viskoelastisuutta mitataan rheometrialla sekä dynaamisella mekaanisella analyysillä (DMA). Testeihin kuuluu creep, stress-relaxaatio ja dynamiikkaan perustuva kuormitus. Viskoelastisia ominaisuuksia korostetaan polymeereissä ja kumissa, geeleissä sekä biologisissa kudoksissa, sekä käytännön sovelluksissa kuten asfaltissa, rakennusmateriaaleissa ja pakkauksissa.

Yhteenvetona viskoelastisuus kuvaa materiaalin kykyä sekä palautua elastisesti että säilyttää ajan kuluessa muodonmuutoksia sekä vaurioittaa energiaa kuormituksesta riippuen. Sen tunteminen on olennaista suunnittelussa ja kestävyyden arvioinnissa.

---