流變學(xué)-高升-141862

1、流變學(xué)-高升-141862流變學(xué)摘 要：流變學(xué)是研究材料流動(dòng)與變形的科學(xué)，其主要研究 對(duì)象是非牛頓流體。流變學(xué)研究涉及化學(xué)與化工、力學(xué)與材 料、石油與地質(zhì)、生物與醫(yī)學(xué)、工程技術(shù)等領(lǐng)域。顯然，流 變學(xué)在基礎(chǔ)研究中占有非常重要的地位，對(duì)材料的研發(fā)與加工、石油開(kāi)采與輸送、臨床醫(yī)學(xué)、食品醫(yī)藥、輕化工、巖土 工程、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)與防護(hù)等具有指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：流變學(xué)流體前沿（一）流體分類1 .賓漢型塑性流體賓漢型塑性流體是非牛頓流體。此類流體的剪切應(yīng)力 （。）與速度梯度（du/dy）成線性關(guān)系，但直線不過(guò)原點(diǎn)。當(dāng) 剪應(yīng)力超過(guò)一定值后流體才開(kāi)始流動(dòng)，此解釋是該種流體在靜止時(shí)具有三維結(jié)構(gòu)，其鋼度足以抵抗一定的剪

2、應(yīng)力。當(dāng)剪 應(yīng)力超過(guò)一定的數(shù)值后，三維結(jié)構(gòu)被破壞，于是流體就顯示 由與牛頓流體一樣的行為。賓漢型塑性流體常用以下公式表示：t = t o+ 以（du/dy） 以:黏度屬于此類流體的有紙漿、牙膏、巖粒的懸浮液、污泥漿 等。2 .假（偽）塑性流體假塑性流體是非牛頓流體，其剪切應(yīng)力和剪切速率關(guān)系 的流變曲線通過(guò)原點(diǎn)，但二者不呈直線關(guān)系，流體的表觀黏 度隨切變速度的增加而減小，這稱作剪切稀化現(xiàn)象。假塑性流體的流變性質(zhì)常用經(jīng)驗(yàn)公式表示：r = p, (du/dy) n 式中 0<n<1高分子熔體和濃溶液大都屬于假塑性流體。3 .牛頓流體牛頓流體是指在受力后極易變形，且剪切應(yīng)力與變形速率成正比

3、的低粘性流體，不同于牛頓流體的都稱為非牛頓流 體。牛頓流體的運(yùn)動(dòng)符合以下公式：r = p, (du/dy )水、酒精等大多數(shù)純液體、輕質(zhì)油、低分子化合物溶液 以及低速流動(dòng)的氣體等均為牛頓流體。4 .膨脹性流體膨脹性流體是非牛頓流體，在外力作用下，其粘度會(huì)因 剪切速率的增大而上升，稱作剪切稠化現(xiàn)象，但在靜置時(shí)， 能逐漸恢復(fù)原來(lái)流動(dòng)較好的狀態(tài)。膨脹性流體常用以下公式表示：以=(du/dy) n 式中 n>15 .理想流體黏度為零的流體稱為理想流體，也叫完全流體。理想流體實(shí)際并不存在，真實(shí)流體運(yùn)動(dòng)時(shí)都會(huì)表現(xiàn)由黏性，但引入 理想流體的概念，對(duì)研究實(shí)際流體起著很重要的作用。理想流體特征是，流體作用

4、在任何表面上的力總是垂直于該表 面。理想流體的運(yùn)動(dòng)符合歐拉方程，歐拉方程是無(wú)粘流體的方程，這里不考慮粘性、熱傳導(dǎo)、質(zhì)量擴(kuò)散等擴(kuò)散項(xiàng)。（二）流變學(xué)基本概念1 .應(yīng)力與應(yīng)變應(yīng)力（b 0）:物體由于外因而變形時(shí)， 物體內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互作 用的內(nèi)力，以抵抗這種外因的作用，并試圖使物體從變形后 的位置恢復(fù)到變形前的位置，在所考察的截面上，單位面積 上的內(nèi)力稱為應(yīng)力。同截面垂直的稱為正應(yīng)力或法向應(yīng)力， 同截面相切的稱為剪切應(yīng)力。應(yīng)變（？0）:材料承受應(yīng)力時(shí)所產(chǎn)生的變形強(qiáng)度（簡(jiǎn)稱為單位長(zhǎng)度變形量）。2 .儲(chǔ)能模量和損耗模量?jī)?chǔ)能模量（G'）:表述材料存儲(chǔ)彈性變形能量的能力，儲(chǔ)能模量是材料彈性的指標(biāo)

5、，又稱彈性模量，是材料固體性質(zhì)的貢獻(xiàn)。G =（6。/ ?o）cos 86 ： G和G '的相位差損耗模量(G''):描述材料產(chǎn)生形變時(shí)能量散失(轉(zhuǎn)變)為熱的現(xiàn)象，是能 量損失的量度，損耗模量是材料粘性的指標(biāo)，又稱粘性模量，是材料液體性質(zhì)的貢獻(xiàn)。G = =( a o/ ?o)sin 83 .屈服值指塑性流體開(kāi)始產(chǎn)生流動(dòng)所需達(dá)到與超過(guò)的臨界應(yīng)力值。在這個(gè)應(yīng)力以下，材料呈彈性行為，在這個(gè)應(yīng)力以上， 材料呈塑性行為。屈服值越大，表明該物體的韌性越大，越 結(jié)實(shí)。4 .線性粘彈區(qū)線性粘彈區(qū)是指施加的應(yīng)力能產(chǎn)生成比例應(yīng)變的區(qū)域。5 .觸變性觸變性是指凝膠體在振蕩、壓迫等機(jī)械力的作用下

6、發(fā)生 的可逆的溶膠現(xiàn)象，即物體受到剪切時(shí)，稠度變小，停止剪 切時(shí)，稠度又增加的性質(zhì)。觸變結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)：(1)從有結(jié)構(gòu)到無(wú)結(jié)構(gòu)，或從結(jié)構(gòu)的拆散作用到結(jié)構(gòu)的恢復(fù)作用是一個(gè)等溫可逆轉(zhuǎn)換過(guò)程。(2)體系結(jié)構(gòu)的這種反復(fù)轉(zhuǎn)換與時(shí)間有關(guān)，即結(jié)構(gòu)的破壞和結(jié)構(gòu)的恢復(fù)過(guò)程是時(shí)間的函數(shù)。同時(shí)結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度變化也與時(shí)間有關(guān)。實(shí)際上，觸變性是體系在恒溫下“凝膠 -溶膠” 之間的相互轉(zhuǎn)換過(guò)程的表現(xiàn)。（三）流變學(xué)應(yīng)用流變學(xué)測(cè)量是觀察高分子材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的窗口，通過(guò)高分子材料中不同尺度分子鏈的響應(yīng)，可以表征高分子材料的分子量和分子量分布，能快速、簡(jiǎn)便、有效地進(jìn)行原材料、 中間產(chǎn)品和最終產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)和質(zhì)量控制。流變測(cè)量在高聚

7、物的分子量、分子量分布、支化度與加工性能之間構(gòu)架 了一座橋梁，所以它提供了一種直接的聯(lián)系，幫助用戶進(jìn)行 原料檢驗(yàn)、加工工藝設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)產(chǎn)品性能。（四）流變學(xué)前沿1.血液流變學(xué)血液流變學(xué)就是在宏觀、微觀與亞微觀水平上研究血液 的細(xì)胞成分和血漿的變形與流動(dòng)特性，以及與血液直接接觸的血管結(jié)構(gòu)的流變特性， 也就是從不同層次上研究血液與血 管流變問(wèn)題，是生命科學(xué)研究前沿的一門學(xué)科。在許多疾病 臨床癥狀由現(xiàn)之前，就可以觀察到血液流變特性的改變，因 此及時(shí)了解血液流變特性的變化，采取有效措施改善血液流變特性，是預(yù)防和治療疾病、防止疾病惡化的重要手段之一。 2.細(xì)胞流變學(xué)細(xì)胞流變學(xué)是研究細(xì)胞流動(dòng)和變形行為的一門

8、學(xué)科，它來(lái)源于宏觀血液流變學(xué)的深入研究，并獨(dú)立地發(fā)展起來(lái)。細(xì)胞流變學(xué)是在細(xì)胞水平上研究血液的流變性，尤其是紅細(xì)胞 的可變形性、聚集性和表面電荷，以及白細(xì)胞的流變性，如 白細(xì)胞的變形性、白細(xì)胞在微循環(huán)中的作用、白細(xì)胞與內(nèi)皮 細(xì)胞的相互作用、白細(xì)胞的趨邊與粘附特性、血小板的流變 與聚集性等，是生物流變學(xué)向微觀方向深化過(guò)程中在細(xì)胞層 次上的具體展現(xiàn)。3 .液晶高分子流變學(xué)液晶高分子是在一定條件下以液晶相態(tài)存在的高分子，是一種各向異性的粘彈性非牛頓流體。存在取向運(yùn)動(dòng)是液晶高分子流體與一般流體運(yùn)動(dòng)的顯著區(qū)別之一。由于高分子量和液晶相序的有機(jī)結(jié)合，液晶高分子具有一些優(yōu)異特性，擁 有廣泛的應(yīng)用前景。例如，它

9、是強(qiáng)度和模量最高的高分子， 能用于制造防彈衣、纜繩乃至航天器的大型結(jié)構(gòu)部件；它可 以是膨脹系數(shù)最小的高分子，適于光纖的被覆；也可以是微 波吸收系數(shù)最小的耐熱性高分子，特別適合制造微波爐具； 它還可以是最具鐵電性及反鐵電性的高分子，可望在信息技術(shù)等領(lǐng)域一顯身手，等等。止匕外，由于許多生命現(xiàn)象與物質(zhì) 的液晶態(tài)相關(guān)，對(duì)高分子液晶態(tài)的研究也有助于對(duì)生命現(xiàn)象 的理解并可能導(dǎo)致有重要意義的新醫(yī)藥材料和醫(yī)療技術(shù)的 發(fā)明。4 .電流變學(xué)電流變學(xué)是研究在電場(chǎng)作用下流體的一些特殊運(yùn)動(dòng)規(guī)律，探討在電場(chǎng)作用下流體的電學(xué)、力學(xué)、化學(xué)及物理學(xué)性 能。這些研究必將擴(kuò)大和充實(shí)流變學(xué)的現(xiàn)有領(lǐng)域，并形成一 門新的學(xué)科。利用電流變

10、液體的表觀粘度和抗剪強(qiáng)度可實(shí)現(xiàn) 快速、無(wú)級(jí)、連續(xù)、可逆控制，而且具有所需能耗低等特點(diǎn)， 可用于發(fā)展一些高性能且參數(shù)可控的離合器、制動(dòng)器、減振 器、隔振器、傳感器等，為機(jī)械工程領(lǐng)域創(chuàng)造由許多性能優(yōu) 良、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的新產(chǎn)品。5 .磁流變學(xué)磁流變現(xiàn)象是在磁場(chǎng)作用下磁流變液可由液態(tài)向類固態(tài)轉(zhuǎn)化，一旦外磁場(chǎng)撤去后，流動(dòng)性即可恢復(fù)，且響應(yīng)時(shí)間 快（毫秒級(jí)）。后來(lái)的研究還揭示磁流變體的流變特性能隨外 加磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化，并能實(shí)現(xiàn)磁流變體的表觀粘度無(wú) 級(jí)可調(diào)。磁流變液的優(yōu)良特性使其在航空航天、武器控制、 機(jī)器人、噪聲以及汽車、船舶與液壓工程等領(lǐng)域具有廣闊的 應(yīng)用前景。（五）流變學(xué)的發(fā)展流變學(xué)在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究方面均占有非常重要的 地位，對(duì)軍事、航天、材料、食品、機(jī)械、電子電氣、石油、 信息、臨床醫(yī)學(xué)、建筑、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)與防護(hù)等領(lǐng)域具有指 導(dǎo)作用。一方面，多尺度流變學(xué)，尤其是本