高分子材料流变学教学
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高分子材料流变学
Polymer rheology
一、课学时：40学时；学分：2学分
二、使用专业：高分子化学与物理、材料学、材料加工工程、高分子机械设计
三、预修课程：高分子化学、高分子物理学、高分子结构与性能、高分子加工原理、场论
四、教学目的：
《高分子材料加工原理》是高分子材料与工程专业本科生的必修课，课程设置的目的是：
1．使学生对高分子材料加工过程的基本原理，主要包括高分子材料在成型加工过程中的基本流变学原理和传热学原理有比较全面的认识。结合高分子物理学、材料加工工艺学、加工机械及模具设计，理解高分子材料的流变性质、传热性能与材料的结构、性能、制品配方、加工工艺条件、加工机械及模具的设计和应用之间的关系。
2．掌握高分子材料的基本流变学性质和传热学性能；了解研究高分子材料流变性质、传热性能的基本数学、力学方法；掌握测量、研究高分子材料流变性质、传热性能的基本实验方法和手段。为进一步学习《聚合反应工程学》、《材料成型加工工艺学》、《材料成型加工机械》、《模具设计》等课程打下基础。
3．讨论典型高分子材料成型加工过程的流变学、传热学原理，讨论多相聚合物体系（复合材料）的流变性质和传热性能，为分析和改进生产工艺、指导配方设计、开发和应用高分子材料提供一定的理论基础。
本课程属一门多学科交叉，理论性与实践性均很强的新兴学科，国目前尚无统一大纲和教材。鉴于目前介绍关于高分子材料传热性能的书籍比较混乱，本大纲暂时先拟定讲授高分子材料流变学的基本容和要求。以后条件成熟时，再补充高分子材料传热学方面的容。高分子流变学要求的教学时数为32学时，高分子传热学要求的教学时数为16学时，总计教学时数为48学时。
关于高分子材料流变学部分，本大纲遵循基本理论与生产实践相结合，既有一定广度，又有一定深度、新度，材料宏观性质与微观结构分析相结合，唯象性讨论与建立数学模型相结合的特点，按照少而精的原则，设置了七章二十节容，教学时数为32学时。
各章节的基本教学要求如下：
第一、二、三章：
1．前三章为本课程学习的重点和基础。
2．要求掌握流变学研究中的基本物理量及基本流变函数。理解高聚物液体的流动机理，理解高聚物液体流动时发生剪切变稀、挤出胀大、熔体破裂等奇异流变现象。能用“高分子构象改变理论”说明其奇异粘弹性。
3．了解非牛顿流体的类别和流动特点。
4．掌握各类条件和参数对高聚物液体剪切粘度的影响规律，包括：加工条件（温度、压力、剪切速率、剪切应力），分子结构参数（分子量、分子量分布、长链支化程度），配方参数（填充－增强剂、软化－增塑剂）。
5．理解高分子液体流动中的弹性效应及影响液体弹性的因素。
第四章：
1．流变学基础方程，特别本构方程是流变学研究的中心课题，但由于需要较多数学准备知识，对材料类专业本科生不宜提出过高要求。主要使学生了解本构方程基本概念及建立高聚物液体流变本构方程基本方法，对力学模型和分子模型理论有初步的认识。
2．掌握幂率方程。
3．了解定量研究高聚物流变性质的数学、力学方法；了解连续性方程，运动方程及能量方程的物理意义。
4．了解平行板之间的拖曳流及圆柱形流道中压力流的流场分析。
第五章：
1．熟悉和理解测量聚合物熔体、溶液剪切粘度的几种方法及原理，尤其对高压毛细管流变仪的测量原理、数据处理方法（Rabinowitch修正，Bagley修正）、测量结果分析等有较好的理解。
2．了解高分子材料的动态粘弹性，了解测量动态粘弹性质的方法。
第六章：
1．本章选择具有代表性的挤出加工过程，混炼加工过程，压延成型过程及注射成型过程，讨论流变学分析在研究加工原理中的作用，不同专业也可视教学对象的不同及学时的宽松加以节选及增删。
2．理解各加工过程的流变学分析方法及结论，理解这些结论的物理意义。
3．讲解的重点放在牛顿流体的等温流动过程上，求解过程尽管简化，侧重流场的分析及结果的讨论，并恰当地推广到非牛顿流体的情形。
第七章：
1．在丰富的多相聚合物弹性流变性质研究中，本章选择两相聚合物共混体系及填充聚合物体系加以介绍，介绍的目的是使学生理解在对新的高分子复合材料的开发中，流变性质的意义。
2．理解多相聚合物体系的粘弹行为及其他特殊性质。
3．以流变性－形态结构－力学性能为中心线索，让学生进一步理解复合材料的微观、亚微观结构与宏观性质之间的联系。
五、大纲容（注：“*”表示重点，“#”表示难点，“★”表示涉
及学科前沿）
第一章绪论
主要讲解：流变学研究的容和意义；奇异流变现象；粘流态特征及流动机理*。
第二章基本物理量和高分子液体的基本流变性质
1．基本物理量*#
主要讲解：应力与偏应力量；形变和形变梯度量；速度梯度、形变率量
2．粘度与法向应力差系数*
主要讲解：表观剪切粘度函数；第一、第二法向应力差函数；拉伸粘度函数
3．非牛顿型流体的分类*
主要讲解：Bingham塑性体；假塑性流体；胀塑性流体
4．关于剪切粘度的深入讨论*
主要讲解：温度T的影响；剪切速率和剪切应力的影响；“时温等效原理”在流动曲线上的应用；压力的影响；配合剂的影响
5．关于”剪切变稀”行为的说明
主要讲解：高分子构象改变说；类橡胶液体理论
6．高分子液体弹性效应的描述*
主要讲解：可恢复形变量SＲ；挤出胀大比及口型出口压力降；第一、二法向应力差系数
7．高分子液体的动态粘弹性
主要讲解：小振幅振荡剪切流场的数学分析；动态粘弹性与稳态流变性的关系
第三章非线性粘弹流体的本构方程
1．本构方程概念
2．速率型本构方程*#
主要讲解：经典的线性粘弹性模型━━Ｍaxwell模型；空间描述法和物质描述法；广义Ｍaxwell模型#；Ｒivlin-Ericksen二阶流体模型#
3．积分型本构方程*#
主要讲解：Bolzmamm叠加原理；Maxwell模型的积分形式；Lodge网络理论━━类橡胶液体理论；Ｍeister模型和Ｂird-Carreau模型#
4．流变模型对高分子科学和高分子工程问题的意义
第四章高分子流变本构方程的分子理论
1．高分子稀溶液和浓厚体系
2．孤立分子链的粘弹性理论*#
主要讲解：Debye珠-链模型的主要观点；Rouse-Zimm模型的主要假定及处理方法；
Rouse-Zimm模型的显式本构方程；流体动力学相互作用，Zimm的修正；非仿射变形假
定和带滑动函数的Rouse-Zimm模型★
3．高分子浓厚体系的流变模型和本构方程*#
主要讲解：高分子浓厚体系的性质；缠结高分子的模型化——蠕动模型★；高分子浓厚体系的流变本构方程，Doi-Edwards模型★
4．分子结构参数对流变性质的影响*
主要讲解：平均分子量的影响；分子量分布的影响；支化结构的影响；讨论分子结构参数对流变性影响的意义
5．松弛时间谱及其与材料粘弹性函数间的关系#
主要讲解：松弛时间谱的定义；松弛时间谱与材料粘弹函数的关系；★由实验数据直接求取材料松弛时间谱的方法；影响流变松弛时间谱的因素
第五章输运过程的基本方程及基本流动形式
1．连续性方程━━质量守恒律
2．运动方程━━动量守恒律
3．能量方程━━能量守恒律
4．平行板间的等温拖曳流和管道中的压力流
主要讲解：平行板间的等温拖曳流；园形管道中的压力流
5．输运过程基本方程在直角坐标系和柱坐标系中的形式
第六章流变测量学
1．毛细管流变仪的测量原理和方法*
主要讲解：毛细管流变仪的基本构造；完全发展区的流场分析；入口区附近的流场分析，Bagley修正；出口区的流动情况
2．锥－板型转子流变仪简介
主要讲解：锥－板型流变仪测量粘度；锥－板型流变仪测量法向应力差函数；锥－板型流变仪进行动态粘弹性测量
3．落球式粘度计的测量原理
4．混炼机型转矩流变仪的原理和用途
主要讲解：结构与用途；转矩绝对值及其波动的意义
第七章高分子材料典型加工成型过程的流变分析
1．混炼工艺与压延工艺（辊筒上的成型加工过程）*
主要讲解：运动方程与润滑近似假定；速度分布与压力分布公式；关于辊筒间压力与速度分布讨论
2．挤出成型过程*
主要讲解：物料在匀化计量段螺槽中的流动；机头口型中物料的流动；实行稳定挤出的一些流变学考虑
3．纤维纺丝成型过程
主要讲解：稳态单轴拉伸流动的数学解析；稳态单轴拉伸流动的本构模型描述；纤维纺丝成型原理简述；单轴拉伸粘度的实验测定；物料的可纺性及与分子参数的关系
第八章注塑成型过程及注射模具计算机辅助设计中的流变学问题
1．注塑成型过程的流变分析*
主要讲解：注塑成型过程简介；简化假定和基本方程；充模压力分析；注塑制品中的残余应力及分子取向
2．注射模具计算机辅助设计的一般要求及步骤
主要讲解：注塑模具的主要功能及一般设计要求；注塑模具CAD设计的一般步骤3．注塑模具流变学参数的CAD设计#
主要讲解：差分法计算的基本方程；方程的求解和程序编写；图解法确定填充图象（L/H法）
4．有限元法绘制填充图象
主要讲解：有限元法绘制填充图象的主要步骤；编制有限元程序的基本方程；有限元程序；应用举例
第九章高分子熔体流动不稳定性及壁滑现象
1．挤出成型过程中的熔体破裂行为*
主要讲解：两类熔体破裂现象；熔体破裂现象的机理分析；影响熔体挤出破裂行为的因素
2．管壁滑移现象及Uhland模型
3．壁滑，挤出畸变，熔体破裂的联系及新认识#
主要讲解：关于高分子液体奇异流变性的基本认识；前人关于壁滑，挤出畸变，熔体破裂的认识；关于壁滑，挤出畸变，熔体破裂的新认识★
第十章高分子基多相体系的流变行为
1．高分子共混体系的相容性
主要讲解：高分子-高分子共混原则；高分子-高分子共混的热力学相容性#
2．高分子共混体系的形态及流变行为*
主要讲解：高分子共混体系的形态；高分子共混体系的粘性行为；高分子共混体系在流
动中的弹性行为
3．高分子分散体系的流变行为*
主要讲解：高分子填充体系的流变行为；聚合填充法制备聚烯烃基复合材料的流变行为★
六、教材，参考资料
教材：吴其晔，巫静安，《高分子材料流变学》，：高等教育，2002
参考资料：
1.Lodge A S. Elastic Liquids. London:Academic Press, 1964
2.Bird R B, Armstrong R C, Hassager O. Dynamics of Polymeric Liquids. New York: John
Wiley & Sons, 1977
3.Truesdell C, Noll W. The Nonlinear Field Theories of Mechanics, in: Handbuch der Physik.
Berlin: Springer-Verlag, 1965
4.Coleman B D, Markovitz H, Noll W. Viscometric Flow of Non-Newtonian Fluids. Berlin:
Springer-Verlag, 1966
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7.小野木重治. 高分子材料科学. 林福海译. ：纺织工业，1983
8.Doi M, Edwards S F. The Theory of Polymer Dynamics. Oxford: Clarendon Press, 1986
9.Ferry J D. Viscoelastic Properties of Polymer 3rd ed. New York: John Wiley & Sons, 1983
10.Schowalter WR. Mechanics of Non-Newtonian Fluids. Oxford: Pergamon Press, 1978: 80-82
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12.文芳. 非牛顿流体力学. ：科学，1984：第二章
13.许元泽. 高分子结构流变学. ：教育，1988
14.Dealy JM. Rheometers for Molten Plastics. New York: Van Nostrand Reinhold Co,1984
15.VinogradovC V, Malkin A Ya. Rheology of Polymers. Berlin: Springer-Verlag, 1980
16.Menges G. Werkstoffkunde Kunststoff. Muechen: Carl Hanser Verlag, 1990
17.Lenk R S. Polymer Rheology. London: Applied Science Publishers Ldt, 1978
18.马德柱，何平笙，徐种德，周漪琴. 高聚物的结构与性能（第二版）. ：科学，1995
19.吴其晔，巫静安. 高分子材料流变学导论. ：化学工业, 1994
20.Nelsen L E. 聚合物流变学. 庆荣, 宋家琪译. ：科学，1983：第七章
三、说明
1、学时分配