流变性相关知识

流体流变特性概述
　　流体在受到外部剪切力作用时发生变形(流动)．接内部相应要产生对变形的抵抗，并以内摩擦的形式表现出来。所有流体在有相对运动时都要产生内摩擦力，这是流体的一种固有物理属性，称为流体的粘滞性或粘性。牛顿内摩擦定律或牛顿剪切定律对流体的粘性作了理论描述，即流体层之间单位面积的内摩擦力或剪切应力与速度梯度或剪切速率成正比。用公式表示如下： 　　τ=μ(dvx/dy)= μγ 　　上式又称为牛顿剪切应力公式，式中的比例系数μ就是代表流体粘滞性的物理量，反映了流体内摩擦力的大小，称为流体的动力粘性系数或粘度。流体的粘度与温度有密切的关系。液体的粘度随着温度升高而下降，而气体的粘度则随着温度的升高而升高。在物理意义上，牛顿剪切应力公式表明有一大类流体，它们的剪切应力与速度梯度呈线性关系。这类流体被称为牛顿流体。另一方面，如果上式的函数关系是非线性的，所描述的流体就被称为非牛顿流体。 ． 　　为了方便描述非牛顿型流体，人们提出了广义的牛顿剪切应力公式： 　　τ=η(dvx/dy)= ηγ 　　系数η同样反映流体的内摩擦特性，常常称为广义的牛顿粘度。对牛顿型流体，η当然就是粘度 ，属于流体的特性参数。对非牛顿型流体，问题就变得复杂起来，η不再是常数，它不仅与流体的物理性质有关，而且还与受到的剪切应力和剪切速率有关，即流体的流动情况要改变其内摩擦特性。人们提出了几个描述非牛顿型流体内摩擦特性的流变方程模型。如Ostwald—dewaele的幂律模型，Ellis模型，Carreau模型，Bingham模型等。其中幂律模型最为常用。幂律模型认为，非牛顿型流体的粘度函数是速度梯度或剪切速率绝对值的一个指数函数，其表达式为: 　　1. τ=K(dvx/dy)n= Kγn 　　或者 　　2. η=K(dvx/dy)n= Kγn-1 　　式中，K为稠度系数，N·S”/m ； 为流体特性指数，无因次，表示与牛顿流体偏离的程度。 　　由2式可见： 　　① 当n=1时，η=K，即K 具有粘度的因次．此时流体为牛顿流体，可用以检查所得结果正 　　确与否； 　　② 当η<1时，为假塑性或剪切变稀流体； 　　③ 当η>l时，为膨胀塑性或剪切增稠流体； 　　④ 1式从使用观点看，仅有两参数，因此被广泛应用，工业上80%以上的非牛顿流体均可用此模型计算。

编辑本段流体类型
　　在一定的温度下，流体在外力的作用下呈层流时，流速不同的层间产生内摩擦力，将阻碍液层的相对运动，层流间剪切应力(τ)与流速梯度(dv/dy)之间呈一复杂的关系，并随着时间、温度、流体性质和流速不同而产生很大的差别。反映这一关系的基本数学公式就是牛顿流动定律： 　　τ=η(dvx/dy) 　　其中，τ——剪切应力（平行流动方向的单位面积上的内摩擦力） 　　dv/dy——剪切速率（垂直流动方向的流速梯度） 　　η——粘度（动力粘滞系数） 　　流体的剪切应力与剪切速率之间的变异关系用图形表示则称为流变曲线。 　　塑性流体是非牛顿流体中的一种，其特点是剪切应力小于某一数值τ。时，就不能流动，大于τ。后才开始流动；假塑性流体也是非牛顿流体一种，其流动特点是一旦施加外力就能流动，其粘度随着剪切速率的增加而减小，流动曲线为通过坐标原点凸向剪切应力轴的曲线；牛顿流体在流变曲线上，剪切应力与剪切速率间关系为一通过原点的直线关系；膨胀性流体也是非牛顿流体中的另一种类型，其特点是一加外力就能流动，粘度随着剪切速率增加而增大，流动曲线为通过坐标原点凹向剪切应力轴的曲线。
1.屈服——假塑性分析
　　屈服——假塑性是指流体在较小外力作用下，不发生流动，只产生有限的弹性变形，只有当外力大于某值时，流体才发生流动，使流体发生流动时对应的剪切应力称之为屈服应力。
2.触变性分析
　　触变性表述这样的现象：物体经长时间高剪切从高粘凝胶态变为粘度低得多的溶胶。触变性的一个重要标志是物体保持静止后有重新稠化的可逆过程。这类流体的粘度不仅随剪切速率变化，而且在恒定的剪切速率下，它的粘度也随着时间的推移而下降，并达到一个常数值。当剪切作用停止后，粘度又随时间的推移而增高，大多数触变性流体，经过几小时或更长的时间，可以恢复到初始的粘度值。它的曲线形态表现为，在流动曲线图中“上行曲线”不再与“下行曲线”重叠，而是两条曲线之间形成了一个封闭的“梭型”触变环。这个“梭型”触变环的面积大小决定着触变特性的量度，它表示破坏触变结构所需要的能量。
编辑本段震凝型流体
　　流体可分为牛顿流体和非牛顿流体。其中非牛顿流体还可分为时间独立性流体(a．假塑体，b．膨胀体，C．塑性假塑体，d．塑性膨胀体)、时间相关性流体(触变物质和振凝性流体)以及粘弹性流体(线性粘弹体和非线性粘弹体) 　　非牛顿流体包括剪切变稠型（胀流型）、剪切变稀型、假塑型、塑性型、触变型以及震凝型流体等。剪切变稠型：粘度随流速梯度增大而增大，这是因为当颗粒浓度很高并接近最紧密排列时，两层间的相对运动将使颗粒偏离最紧密排列，体积有所增加，需消耗额外能量。或者因为当流速增加而使颗粒动能增高时，可能越过能垒Eb 到达第一极小 Em1 而发生絮凝，使粘度增大。 　　剪切变稀型：粘度随流速梯度增大而减小。这是因为在h 较大时，位能曲线上有一个第二极小 Em2，它将导致颗粒间形成较弱的絮凝，而流速增大时将破坏这种絮凝使粘度减小。也可能因为颗粒为棒状或片状，静止时颗粒运动受阻，当受到剪切时，颗粒因形成队列而粘度 　　减小。
假塑型
　　：粘度随流速梯度增大而减小，它的剪切变稀的性质更为突出。
塑性型
　　：该类流体由于絮凝很强而形成网络结构，其特点是存在屈服应力τB ，τ <τB 时流体仅发生弹性形变。当τ >τB 时，网络破坏并开始流动，剪切应力随流速梯度而变化。
触变型
　　：在剪切作用下可由粘稠状态变为流动性较大的状态，而剪切作用取消后，要滞后一段时间才恢复到原来状态。这是由于絮凝网络经剪切破坏后，重新形成网络需要一定时间。
震凝型
　　：该流体能在剪切作用下变稠。剪切取消后，也要滞后一段时间才恢复变稀。

流变科技名词定义
中文名称：流变 英文名称：rheology 定义：材料的应力、应变随时间变化而变化的现象。 应用学科：水利科技（一级学科）；岩石力学、土力学、岩土工程（二级学科）；岩石力学（水利）（三级

流变学出现在20世纪20年代。学者们在研究橡胶、塑料、油漆、玻璃、混凝土，以及金属等工业材料；岩石、土、石油、矿物等地质材料；以及血液、肌肉骨骼等生物材料的性质过程中，发现使用古典弹性理论、塑性理论和牛顿流体理论已不能说明这些材料的复杂特性，于是就产生了流变学的思想。英国物理学家麦克斯韦和开尔文很早就认识到材料的变化与时间存在紧密联系的时间效应。

流变学 　　流变学是力学的一个新分支，它主要研究材料在应力、应变、温度湿度、辐射等条件下与时间因素有关的变形和流动的规律。
编辑本段流变学发展简史
　　麦克斯韦在1869年发现，材料可以是弹性的，又可以是粘性的。对于粘性材料，应力不能保持恒定，而是以某一速率减小到零，其速率取决于施加的起始应力值和材料的性质。这种现象称为应力松弛。许多学者还发现，应力虽然不变，材料却可随时间继续变形，这种性能就是蠕变或流动。 　　经过长期探索，人们终于得知，一切材料都具有时间效应，于是出现了流变学，并在20世纪30年代后得到蓬勃发展。1929年，美国在宾厄姆教授的倡议下，创建流变学会；1939年，荷兰皇家科学院成立了以伯格斯教授为首的流变学小组；1940年英国出现了流变学家学会。当时，荷兰的工作处于领先地位，1948年国际流变学会议就是在荷兰举行的。法国、日本、瑞典、澳大利亚、奥地利、捷克斯洛伐克、意大利、比利时等国也先后成立了流变学会。 　　流变学的发展同世界经济发展和工业化进程密切相关。现代工业需要耐蠕变、耐高温的高质量金属、合金、陶瓷和高强度的聚合物等，因此同固体蠕变、粘弹性和蠕变断裂有关的流变学迅速发展起来。核工业中核反应堆和粒子加速器的发展，为研究由辐射产生的变形打开新的领域。 　　在地球科学中，人们很早就知道时间过程这一重要因素。流变学为研究地壳中极有趣的地球物理现象提供了物理-数学工具，如冰川期以后的上升、层状岩层的褶皱、造山作用、地震成因以及成矿作用等。对于地球内部过程，如岩浆活动、地幔热对流等，现在则可利用高温、高压岩石流变试验来模拟，从而发展了地球动力学。 　　在土木工程中，建筑的土地基的变形可延续数十年之久。地下隧道竣工数十年后，仍可出现蠕变断裂。因此，土流变性能和岩石流变性能的研究日益受到重视。

流变学的研究内容
　　流变学研究内容是各种材料的蠕变和应力松弛的现象、屈服值以及材料的流变模型和本构方程。
蠕变和应力松弛
　　材料的流变性能主要表现在蠕变和应力松弛两个方面。蠕变是指材料在恒定载荷作用下，变形随时间而增大的过程。蠕变是由材料的分子和原子结构的重新调整引起的，这一过程可用延滞时间来表征。当卸去载荷时，材料的变形部分地回复或完全地回复到起始状态，这就是结构重新调整的另一现象。 　　材料在恒定应变下，应力随着时间的变化而减小至某个有限值，这一过程称为应力松弛。这是材料的结构重新调整的另一种现象。 　　蠕变和应力松弛是物质内部结构变化的外部显现。这种可观测的物理性质取决于材料分子(或原子)结构的统计特性。因此在一定应力范围内，单个分子(或原子)的位置虽会有改变，但材料结构的统计特征却可能不会变化。
屈服值
　　当作用在材料上的剪应力小于某一数值时，材料仅产生弹性形变；而当剪应力大于该数值时，材料将产生部分或完全永久变形。则此数值就是这种材料的屈服值。屈服值标志着材料有完全弹性进入具有流动现象的界限值，所以又称弹性极限、屈服极限或流动极限。同一材料可能会存在几种不同的屈服值，比如蠕变极限、断裂极限等。在对材料的研究中一般都是先研究材料的各种屈服值。
流变模型
　　在不同物理条件下(如温度、压力、湿度、辐射、电磁场等)，以应力、应变和时间的物理变量来定量描述材料的状态的方程，叫作流变状态方程或本构方程。材料的流变特性一般可用两种方法来模拟，即力学模型和物理模型： 　　在简单情况(单轴压缩或拉伸，单剪或纯剪)下，应力应变特性可用力学流变模型描述。在评价蠕变或应力松弛试验结果时，利用力学流变模型有助于了解材料的流变性能。这种模型已用了几十年，它们比较简单，可用来预测在任意应力历史和温度变化下的材料变形。 　　力学模型的流变模型没有考虑材料的内部物理特性，如分子运动、位错运动、裂纹扩张等。当前对材料质量的要求越来越高，如高强度超韧性的金属、高强度耐高温的陶瓷、高强度聚合物等。对它们的研究就必须考虑材料的内部物理特性，因此发展了高温蠕变理论。这个理论通过考虑了固体晶体内部和晶粒颗粒边界存在的缺陷对材料流变性能的影响，表达出材料内部结构的物理常数，亦即材料的物理流变模型。
编辑本段流变学的研究方法
　　流变学从一开始就是作为一门实验基础学科发展起来的，因此实验是研究流变学的主要方法之一。它通过宏观试验，获得物理概念，发展新的宏观理论。例如利用材料试件的拉压剪试验，探求应力、应变与时间的关系，研究屈服规律和材料的长期强度。通过微观实验，了解材料的微观结构性质，如多晶体材料颗粒中的缺陷、颗粒边界的性质，以及位错状态等基本性质，探讨材料流变的机制。
对流体材料的研究方法
　　对流体材料一般用粘度计进行试验。比如，通过计算球体在流体中因自重作用沉落的时间，据以计算牛顿粘滞系数的落球粘度计法；通过研究的流体在管式粘度计中流动时，管内两端的压力差和流体的流量，以求得牛顿粘滞系数和宾厄姆流体屈服值的管式粘度计法；利用同轴的双层圆柱筒，使外筒产生一定速度的转动，利用仪器测定内筒的转角，以求得两筒间的流体的牛顿粘滞系数与转角的关系的转筒法等。
对弹性和粘弹性材料的研究方法
　　对弹性和粘弹性材料的实验方法分为蠕变试验、应力松弛试验和动力试验三种： 　　对材料进行蠕变实验一般有对材料试件施加恒定的拉力，以研究材料的拉伸蠕变性能的拉伸法；在专门的剪力仪中对材料施加恒定的剪力，研究材料的剪切蠕变性能；利用三轴仪，对材料试件施加轴向应力和静水压力，研究材料的单向或三向压缩蠕变性能；利用扭转流变仪，对材料试件施加恒定的扭力，研究材料的扭转蠕变性能；以及在粱形试件上施加恒定的弯矩，研究材料挠度蠕变性能的弯曲法等。 　　应力松弛实验是将材料试件置于应力松弛试验仪上，使试件产生一恒定的变形，测定试件所受应力随时间的衰减，研究材料的流变性能，也可以计算材料松弛时间的频谱。这种试验也可在弯曲流变仪、扭转流变仪、压缩流变仪上进行，此法适用于高分子材料和金属材料。 　　除蠕变和应力松弛这类静力试验外，还可进行动力试验，即对材料试件施加一定频谱范围内的正弦振动作用，研究材料的动力效应。此法特别适用于高分子类线性粘弹性材料。通过这种试验可以求得两个物理量：由于材料发生形变而在材料内部积累起来的弹性能量；每一振动循环的能量耗散。动力试验可以测量能量耗散和频率的关系，通过这个规律可以与蠕变试验比较分析，建立模型。 　　在上述的各种试验工作中，还要研究并应用各种现代测量原理和方法，大型电子计算机的出现对流变学领域的研究产生了深远的影响，如对于非线性材料的大应变、大位移的复杂课题已用有限元法或有限差分方法进行研究。
编辑本段流变学的发展前景
　　随着经济和工业化的发展，流变学将有广阔的发展领域，并已逐步渗透到许多学科而形成相应的分支，例如高分子材料流变学、断裂流变力学、土流变学、岩石流变学以及应用流变学等等。在理论研究上，已超出均匀连续介质的概念，开始探索离散介质、非均匀介质以及非相容弹性介质的流变特性。实验原理和测试技术的研究以及电子计算机的应用，将在流变学的发展中显示重要的地位和发挥巨大的作用。

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