储能模量与损耗模量：材料科学中的弹性与粘性
储能模量与损耗模量：材料科学中的弹性与粘性
我们在上一节教程中介绍了剪切模量，以及弹性模量（在之后我们将拉伸模量统称为弹性模量），这次就以剪切模量为例，介绍储能模量和损耗模量。
直接给出定义：
剪切模量由储能模量和损耗模量组成
那么，弹性模量是不是也是由储能模量和损耗模量组成呢？
是的，弹性模量的组成部分也是储能模量和损耗模量。
总之需要记住，剪切和拉伸都是流变学的研究范畴，如果剪切有某种特性，那么拉伸通常也会有，反之亦然。
既然剪切模量由储能模量和损耗模量组成，那么它们之间的比例关系如何呢？我们可以通过计算相位角δ的值来确认材料中储能模量和损耗模量的占比。这里不需要深入了解δ的具体含义和来源，后续会专门讲解这个概念。
现在给出一个图示，帮助大家理解如何通过δ计算储能模量和损耗模量。假设我们有三种材料，通过剪切试验得到了三个G值，这些值是相同的，但方向不同，方向由δ控制。
通过观察这个图，我们可以发现，一旦计算出剪切模量G，并知道相位角δ，就能轻松计算出储能模量G’和损耗模量G’’。计算公式如下：
G’ = cosδ × G
G’’ = sinδ × G
储能模量的定义是：材料中弹性的组成部分。
弹性通常在弹簧中体现，当我们拉伸弹簧后释放，它会回到原来的位置。从能量的角度来看，弹簧储存了拉伸时的能量，释放时再将这部分能量释放出来。材料的弹性与此类似，当施加应力使材料产生应变时，材料会储存一部分应变能量，这部分能量就是储能模量。释放应力后，材料会像弹簧一样释放这部分能量并恢复应变。
然而，材料与弹簧有一个重要区别：弹簧释放后会完全回到原位，而材料只会部分恢复，恢复的程度取决于损耗模量。
损耗模量的定义是：材料中粘性的组成部分。
这个概念相对抽象，需要仔细思考。我们可能都注意到，当摩擦或掰动材料时，材料会发热甚至烫手，这是因为施加的力有一部分转化成了材料的热量。
同样地，当我们拉伸弹簧时，施加给弹簧的能量会有一部分转化为摩擦热，这部分能量会从总能量中扣除。虽然弹簧的损耗模量很小，以至于我们认为它完全恢复了，但对于其他材料，损耗模量可能远大于弹簧，因此必须考虑损耗模量带来的能量损失。
这里有点抽象，我用一个图来说明：
比如我们手里拿个球，然后放手后是不是会回弹，但是大家都观察到，这个球他不会完全完全回弹回去，除去了空气摩擦力的影响，我告诉大家，是因为小球在接触到地面的时候，发生的不是完全弹性碰撞，也就是说，在碰撞的这个过程中，小球自身会产生热，损耗掉一部分能量，这部分能量就是损耗模量，懂了吧？至于途中的E’和E’’，我相信大家能看懂，这是弹性模量中的储能模量和损耗模量符号
我们不妨多说一点，为啥有的资料，会告诉你弹性模量等于储能模量，大家想想，假如我这种材料，弹性模量里面，基本上没有损耗模量，都是由储能模量组成的，比如钢铁，这种情况下，弹性模量肯定就是储能模量了，但是在流变学里面，我们有很多材料损耗模量都比弹性模量大，这两怎么可能相等，所以大家懂了吧？
这就是储能模量和损耗模量，我下节教程，带大家看几个典型的材料的储能模量和损耗模量图。