流变学

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  流变学(rheology),研究物质或材料流动和变形的科学。流变学是由力学化学工程学的交叉和综合而产生的边缘学科。为了研究高聚物材料的物理性质,美国化学工程师E.C.宾汉1929年首先提出了流变学的概念。流变学的主要任务是通过实验或理论方法建立上述物质或材料的本构关系,并应用本构关系及动量、质量和能量守恒关系研究物质或材料的流动和变形规律。

  研究对象 包括非牛顿流体、粘弹性固体和流体与固体之间的物质(如悬浮体)。

  ①非牛顿流体。不满足牛顿粘性定律的流体。在这种流体的纯剪切流动中,流体任一点的剪应力都不同剪切变形速率呈线性函数关系。非牛顿流体可分为4类:无弹性变粘度流体,具有屈服应力的流体,粘弹性流体,具有时效的流体。非牛顿流体的本构方程为非线性;具有弹性的流体,在剪切流动中,其法应力差不为零。非牛顿流体通常具有复杂的内部结构,如高分子链、悬浮固体颗粒、蜡晶结构、气泡、纤维和血球等。在变形运动中,其内部结构的复杂动力学响应导致流体宏观力学性质的非线性。非牛顿流体的性质不仅与其组分有关,而且与其变形运动和形态有关。自然界和人工合成的大部分流动性物质都属于非牛顿流体,如聚合物流体、原油泥浆、血液、食品原料、化妆品和纸浆等。

  ②粘弹性固体。既具有弹性性质又具有粘性性质的物质。由于具有弹性,可把外力做功的一部分转化为存储在物质内部的应变能;又由于具有类似于流体的粘性,可通过内摩擦而消耗掉另一部分外力做的功。高温下的金属材料、长时间受力的混凝土和岩土材料甚至玻璃、生物材料、许多高分子聚合物都能表现出粘弹性物质的力学行为,其基本特征是变形的时间相关性。蠕变和应力松弛是粘弹性物质的典型静态流变行为;在短时载荷或高应变率(见应变)下,粘性物质又表现出较强的速率敏感性。粘弹性固体和流体的本构方程无原则区别,但其力学行为不同,如两者的力学性能试样和实验方法不同,在长时剪切载荷作用下固体方能达到平衡状态,许多固体呈现各向异性,等等。有的模型如麦克斯韦模型、宾汉粘塑性模型主要用于表现流体行为,而沃格特-开尔文模型、标准线性固体主要表现固体行为。

  理论 应用统计力学方法研究材料微观结构与宏观流变性质之间的关系,形成了流变学的分子理论;从连续介质的观点研究材料流变性质,形成了流变学的连续介质力学理论。理性力学的基本原理是现代流变学的基础。它把各类物质作为连续介质统一考察,与张量分析和泛函分析有机结合,将流变学理论提至新的高度。流变学的基本原理和理论应用于各领域,产生了一系列流变学新分支,除了高分子流变学外,还有生物流变学、冶金流变学、石油工程流变学、土壤流变学、食品流变学、环境流变学、泥浆流变学和心理流变学等。

  聚合物液体分子运动论是用非平衡态统计力学方法研究聚合物液体微观分子结构与其宏观流变性质之内在联系的学科分支,又称流变学的分子理论、结构流变学或流体力学的结构理论。该理论由3部分组成:①建立分子模型,用适当的力学系统(如珠簧模型、网络模型和蠕动管原始链模型等)作为聚合物液体的微观力学模型。②确定微观统计系综,得到系综分布函数。③建立应力张量的系综平均表达式,并由此导出描述聚合物液体宏观力学性质的本构方程。聚合物液体分子运动论是研究粘弹性流体本构方程的一条重要途径。相空间理论、聚合物液体分子网络理论和陶益-爱德华兹理论是发展得较完善的3种流变学的分子理论。