流变学高升141862

流变学摘要：流变学是研究材料流动与变形的科学，其主要研究对象是非牛顿流体。流变学研究涉及化学与化工、力学与材料、石油与地质、生物与医学、工程技术等领域。显然，流变学在基础研究中占有非常重要的地位，对材料的研发与加工、石油开采与输送、临床医学、食品医药、轻化工、岩土工程、地质灾害预测与防护等具有指导意义。关键词：流变学流体前沿(一)流体分类1.宾汉型塑性流体宾汉型塑性流体是非牛顿流体。此类流体的剪切应力(τ)与速度梯度(du/dy)成线性关系，但直线不过原点。当剪应力超过一定值后流体才开始流动，此解释是该种流体在静止时具有三维结构，其钢度足以抵抗一定的剪应力。当剪应力超过一定的数值后，三维结构被破坏，于是流体就显示出与牛顿流体一样的行为。宾汉型塑性流体常用以下公式表示：τ=τ0+μ(du/dy)μ:黏度属于此类流体的有纸浆、牙膏、岩粒的悬浮液、污泥浆等。2.假（伪）塑性流体假塑性流体是非牛顿流体，其剪切应力和剪切速率关系的流变曲线通过原点，但二者不呈直线关系，流体的表观黏度随切变速度的增加而减小，这称作剪切稀化现象。假塑性流体的流变性质常用经验公式表示：τ=μ(du/dy)n式中0n1高分子熔体和浓溶液大都属于假塑性流体。3.牛顿流体牛顿流体是指在受力后极易变形，且剪切应力与变形速率成正比的低粘性流体，不同于牛顿流体的都称为非牛顿流体。牛顿流体的运动符合以下公式：τ=μ(du/dy）水、酒精等大多数纯液体、轻质油、低分子化合物溶液以及低速流动的气体等均为牛顿流体。4.膨胀性流体膨胀性流体是非牛顿流体，在外力作用下，其粘度会因剪切速率的增大而上升，称作剪切稠化现象，但在静置时，能逐渐恢复原来流动较好的状态。膨胀性流体常用以下公式表示：μ=(du/dy)n式中n15.理想流体黏度为零的流体称为理想流体，也叫完全流体。理想流体实际并不存在，真实流体运动时都会表现出黏性，但引入理想流体的概念，对研究实际流体起着很重要的作用。理想流体特征是，流体作用在任何表面上的力总是垂直于该表面。理想流体的运动符合欧拉方程，欧拉方程是无粘流体的方程，这里不考虑粘性、热传导、质量扩散等扩散项。(二)流变学基本概念1.应力与应变应力(σ0)：物体由于外因而变形时，物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并试图使物体从变形后的位置恢复到变形前的位置，在所考察的截面上，单位面积上的内力称为应力。同截面垂直的称为正应力或法向应力，同截面相切的称为剪切应力。应变(ɛ0)：材料承受应力时所产生的变形强度(简称为单位长度变形量)。2.储能模量和损耗模量储能模量(G’)：表述材料存储弹性变形能量的能力，储能模量是材料弹性的指标，又称弹性模量，是材料固体性质的贡献。G’=(σ0/ɛ0)cosδδ：G’和G’’的相位差损耗模量(G’’):描述材料产生形变时能量散失(转变)为热的现象，是能量损失的量度，损耗模量是材料粘性的指标，又称粘性模量，是材料液体性质的贡献。G’’=(σ0/ɛ0)sinδ3.屈服值指塑性流体开始产生流动所需达到与超过的临界应力值。在这个应力以下，材料呈弹性行为，在这个应力以上，材料呈塑性行为。屈服值越大，表明该物体的韧性越大，越结实。4.线性粘弹区线性粘弹区是指施加的应力能产生成比例应变的区域。5.触变性触变性是指凝胶体在振荡、压迫等机械力的作用下发生的可逆的溶胶现象，即物体受到剪切时，稠度变小，停止剪切时，稠度又增加的性质。触变结构的主要特点：(1)从有结构到无结构，或从结构的拆散作用到结构的恢复作用是一个等温可逆转换过程。(2)体系结构的这种反复转换与时间有关，即结构的破坏和结构的恢复过程是时间的函数。同时结构的机械强度变化也与时间有关。实际上，触变性是体系在恒温下“凝胶-溶胶”之间的相互转换过程的表现。(三)流变学应用流变学测量是观察高分子材料内部结构的窗口，通过高分子材料中不同尺度分子链的响应，可以表征高分子材料的分子量和分子量分布，能快速、简便、有效地进行原材料、中间产品和最终产品的质量检测和质量控制。流变测量在高聚物的分子量、分子量分布、支化度与加工性能之间构架了一座桥梁，所以它提供了一种直接的联系，帮助用户进行原料检验、加工工艺设计和预测产品性能。(四)流变学前沿1.血液流变学血液流变学就是在宏观、微观与亚微观水平上研究血液的细胞成分和血浆的变形与流动特性，以及与血液直接接触的血管结构的流变特性，也就是从不同层次上研究血液与血管流变问题，是生命科学研究前沿的一门学科。在许多疾病临床症状出现之前，就可以观察到血液流变特性的改变，因此及时了解血液流变特性的变化，采取有效措施改善血液流变特性，是预防和治疗疾病、防止疾病恶化的重要手段之一。2.细胞流变学细胞流变学是研究细胞流动和变形行为的一门学科，它来源于宏观血液流变学的深入研究，并独立地发展起来。细胞流变学是在细胞水平上研究血液的流变性，尤其是红细胞的可变形性、聚集性和表面电荷，以及白细胞的流变性，如白细胞的变形性、白细胞在微循环中的作用、白细胞与内皮细胞的相互作用、白细胞的趋边与粘附特性、血小板的流变与聚集性等，是生物流变学向微观方向深化过程中在细胞层次上的具体展现。3.液晶高分子流变学液晶高分子是在一定条件下以液晶相态存在的高分子，是一种各向异性的粘弹性非牛顿流体。存在取向运动是液晶高分子流体与一般流体运动的显著区别之一。由于高分子量和液晶相序的有机结合，液晶高分子具有一些优异特性，拥有广泛的应用前景。例如，它是强度和模量最高的高分子，能用于制造防弹衣、缆绳乃至航天器的大型结构部件；它可以是膨胀系数最小的高分子，适于光纤的被覆；也可以是微波吸收系数最小的耐热性高分子，特别适合制造微波炉具；它还可以是最具铁电性及反铁电性的高分子，可望在信息技术等领域一显身手，等等。此外，由于许多生命现象与物质的液晶态相关，对高分子液晶态的研究也有助于对生命现象的理解并可能导致有重要意义的新医药材料和医疗技术的发明。4.电流变学电流变学是研究在电场作用下流体的一些特殊运动规律，探讨在电场作用下流体的电学、力学、化学及物理学性能。这些研究必将扩大和充实流变学的现有领域，并形成一门新的学科。利用电流变液体的表观粘度和抗剪强度可实现快速、无级、连续、可逆控制，而且具有所需能耗低等特点，可用于发展一些高性能且参数可控的离合器、制动器、减振器、隔振器、传感器等，为机械工程领域创造出许多性能优良、结构简单的新产品。5.磁流变学磁流变现象是在磁场作用下磁流变液可由液态向类固态转化，一旦外磁场撤去后，流动性即可恢复，且响应时间快(毫秒级)。后来的研究还揭示磁流变体的流变特性能随外加磁场强度的变化而变化，并能实现磁流变体的表观粘度无级可调。磁流变液的优良特性使其在航空航天、武器控制、机器人、噪声以及汽车、船舶与液压工程等领域具有广阔的应用前景。(五)流变学的发展流变学在基础研究和应用研究方面均占有非常重要的地位，对军事、航天、材料、食品、机械、电子电气、石油、信息、临床医学、建筑、地质灾害预测与防护等领域具有指导作用。一方面，多尺度流变学，尤其是本构模型、结构流变学已成为流变学发展的主流，微流体、电流变液、浓乳液、浓悬浮体、高分子-纳米粒子分散体、高凝/高粘度原油、生命体系、颗粒流体系的应用流变学研究是工程研究的基础。另一方面，流变学是一门交叉学科，其发展需要理论的突破和先进的流变学测量技术。因此流变学的研究需要多学科的交流与合作，也面临着新的机遇和挑战。