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工业流变学(1)06-8-11)

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流变学基础PPT课件

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当剪切应力大于屈服值时液体开始流动，而发生塑 性变形，此时D与S呈直线关系，η为定值；
10
4)其流动公式为D=(S－S0)/ η· 2020年9月28日
塑性流体的结构变化示意图
11
2020年9月28日
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二、非牛顿流动
2.假塑性流动（pseudoplastic flow）
1)随剪切应力的增大，η下降； 2)曲线通过原点为准塑性流动； 3)其流动公式为D=Sn/ ηa
蠕变性(creep)：对物质附加一定的重量时， 表现为一定的伸展性或形变，而且随时间发生 变化，此现象称为蠕变性。
18
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第十四章:流变学基础
第三节 蠕变性质的测定方法
落球 黏度
计
旋转 黏度
计
圆锥平 板黏度
计
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蠕变性质的测定方法
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2020年9月28日
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是存在一定的时间差）·
3)原因：····
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三、粘弹性与蠕变性
黏弹性(viscoelasticity)：高分子物质或分散 体系，具有黏性(viscosity)和弹性(elasticity) 双重特性，这种性质称为黏弹性. ·
应力缓和(stress relaxation)：物质被施加一 定的压力而变形，并使其保持一定变形时，应 力随时间而减少，此现象称为应力缓和。
D=dv/dy
剪切应力（S）：使液层产生相对
运动需施加外力，在单位面积上
4
所需施加的这种力称剪切应力。 2020年9月28日
4
5
2020年9月28日
第十四章:流变学基础
第二节 流变性质

工业流变学

工业流变学

●计算管路或地层中流动阻力：非牛顿流体输送管路的设计计算比牛顿流
体复杂得多。在计算之前首先判断特定的流体在特定的流动条件可用哪种流变
模型描述——是广义牛顿流体流变模型还是粘弹性流体流变模型？
非牛顿流体管路输运的计算不能套用牛顿流体的公式，而必须运用流变学 的知识去寻找或建立新的公式。
1.1 流变学概论
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。
1.1 流变学概论
1.1.3 流变学的分类
1 根据研究方法分类
① 实验流变学——通过现代实验技术来揭示材料的流变规律 ● 建立材料的经验或半经验流变模型，解决工程中的流变学问题 ● 揭示材料在各种条件下流变性的物理本质 ● 研究测量原理和测试技术，用以研制或改进测试仪器和测试手段
③ 对于流变性的认识，必须在某种特定的形变和流动条件下进 行。
1.2 牛顿和非牛顿流体
1.2.2 基本概念 2. 流体的流变性
● 不同的介质一般具有不同的流变性，需要用不同的 本构方程描述。
●同一介质在不同的流动条件下，可能表现出不同的 流变行为，也需要用不同的本构方程描述。
1.2 牛顿和非牛顿流体
流体 固体动力
动力的响应
流变学多学科综合交叉性： 基础——力学、物理学、数学 涉及的学科领域——材料科学 化学(胶体化学与高分子化学) 生物学 地质学 机械学
……
1.1 流变学概论
1.1.2 流变学的发展简史
史前时期 ● 狩猎工具的弓箭 ● 文物考古出土的新石器时代的陶器可推知，当时的人类已经认识并掌握了
和研究方法
1.1 流变学概论
1.1.1 流变学的概念
典型的流变现象之一
挤出胀大

最新流变学前三章

最新流变学前三章

变形可逆并完全恢复
流变学的非线性弹性理论来描述此类橡胶弹性理论
2.取向态 在力场和温度场等作用下，分子链将沿着外场方 向进行排列，聚合物的取向现象包括分子量、链 段、晶片和晶粒等取向
基本特征： 一维或二维有序结晶 高分子材料的力学性能、热性能和光学性能 等呈现各向异性
3.液晶态 ：介于有序晶态和无序的液态之间的一种中间状
bc
体积的分数变化
△V/V＝[(1＋)(1－)2-1] 由于<<1，<<1，故
△V/V≈－2
拉伸时，>1，<1，>0，>0， 压缩时，<1，>1，<0，<0，即长度缩小，截面增大
2.2.3 简单剪切和简单剪切流动 （Simple shear and simple shearing flow）
＝w/l=tan 称为剪切应变（Shear strain） 如应变很小，即 <<1，可近似地认为＝
分散体
剪切速率较高时，假塑性非牛顿流体
在剪切速率不断提高时，膨胀性的非 牛顿流体 三维结构的凝胶体 ，宾汉流体
聚合物形态的转变 ——聚合物形态的热Байду номын сангаас变
发生相交
线弹性体
线性粘性流体
发生相交
图1.1比容－温度曲线 (a)低分子材料 (b)结晶性高聚物
并非每种无 定形高聚物都 有这三种状态
图1.2 无定形聚合物的变形-温度曲线 （恒定外力作用下）
(1)多样性
分子结构有线性结构、交联结构、网状结构等
分子链可以呈刚性或柔性
流变行为多种多样，固体高聚物的变形可呈 现线性弹性、橡胶弹性及粘弹性。聚合物溶液 和熔体的流动则可呈现线性粘性、非线性粘性 、塑性、触变性等

流变学基础ppt正式完整版

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➢ 由外部应力而产生的固体的变形，如除去其应力，则固 体恢复原状，这种性质称为弹性。
➢ 把这种可逆性变形称为弹性变形，而非可逆性变形称为 塑性变形。
➢ 流动主要表示液体和气体的性质。流动的难易与物质本
身具有的性质有关，把这种现象称为粘性。流动也视为一 种非可逆性变形过程。
➢ 实际上，某一种物质对外力表现为弹性和粘性双重特性 （粘弹性）。这种性质称为流变学性质，对这种现象进行 定量解析的学问称为流变学。
η——塑性粘度；σ0——屈伏值、致流值或降伏值，单位为dyne·㎝-2。
流动主要表示液体和气体的性质。 液体的这种性质称为塑性流动。 流动的难易与物质本身具有的性质有关，把这种现象称为粘性。 流变学——为了表示液体的流动和固体的变形现象而提出来的概念。 流动的难易与物质本身具有的性质有关，把这种现象称为粘性。 假塑性流动的特点：没屈伏值； 流动的难易与物质本身具有的性质有关，把这种现象称为粘性。 在单位液层面积（A）上施加的使各液层间产生相对运动的外力称为剪切应力，简称剪切力，单位为N/m2，以S表示。 剪切速度，单位为S-1，以D表示。 粘度系数除以密度ρ得的值ν（ν =η/ρ）为动力粘度（SI单位为㎡/S）。 此时在单位面积上存在的内力称为应力（Stress）（如橡胶）。 也就是说，与同一个σ值进行比较，曲线下降时粘度低，上升时被破坏的结构并不因为应力的减少而立即恢复原状，而是存在一种时间 差。 （汽车的排队和运动模式）。
二．非牛顿流动
实际上大多数液体不符合牛顿粘度定律，如高分子溶液 、胶体溶液、乳剂以及固-液的不均匀体系的流动。把这 种不遵循牛顿粘度定律的物质称为非牛顿流体，这种物质 的流动现象称为非牛顿流动。
非牛顿流体的剪切速度和剪切应力的变化规律，经作图 后可得三种曲线的类型：塑性流动、假塑性流动、触变流 动。

流变学第八章

流变学第八章

脆性韧性转变温度
(2) 应变速率的影响 根据时温等效原理，应变速率变化与温度变化等效．即提高应 变速率与降低温度等效，降低应变速率与升高温度等效。下图 为聚丙烯在不同拉伸速率时的断裂行为，由图可见，在高拉伸 速率时的行为与低温时相同，表现为延伸较小，韧性降低
4) 软而韧的材料，它在较低的应力发生屈服，模量较低， 但断裂延伸较大，断裂应力也较低。这种材料也称为柔性 材料，其柔性好。软聚氯乙烯、低密度聚乙烯的断裂属于 这种类型
5) 软而弱的材料，它的模量低，但有—定延伸，断裂强度 低。末硫化的橡胶的断裂属于这种类型
6) 弱而脆的材料，它发生脆性断裂，而且模量很低。固体 状态的低聚物，如热塑性酚醛树脂、环氧树脂的断裂届于 这种类型，它们必须经交联形成网状结构才能作为材料使 用
8.2.3．橡胶的断裂
橡胶为轻度交联的聚合物，其平衡应力应变关系已在第5章 中进行了讨论。橡胶的断裂过程与线型聚合物有所不同，在 高于Tg时，其应力应交曲线中没有屈服点 在不同应变速率下(或不同温度下)测 定橡胶的应力应变曲线，可得到如 图的结果。图中OA、OB、OC等为 在不同应变速率下测得的应力应变 曲线，应变速率按图中箭头方向增 大。A、B、C各点为不同应变速率 时的断裂点。由图可见，随着应变 速率的提高，断裂应力提高，而延 伸率先升后降。将断裂点A、B、C 等连接起来得到的曲线称为包络线
拉伸时出现细颈的应力称为重结晶应力或强迫高 弹性应力，是结晶聚合物的重要机械性能之一。 重结晶应力与无定形聚合物的屈服应力在概念上 是有区别的，但实际应用中往往不加区分
拉伸的影响
如果结晶聚合物已经取向拉伸，则有各向异性。结晶聚合 物经拉伸取向后，在拉伸方向的强度大大高于未拉伸方向的 强度。要得到两个方向均匀的强度，可以进行双向拉伸，例 如双向拉伸的聚丙烯薄膜 单向拉伸的结晶聚合物的断裂行为与拉伸的方向有关。拉 伸方向与原来单向拉伸取向方向相同。如取向程度已相当高 ，则拉伸时不再发生屈服，延伸率也较小；如取向程度较低 ，则可能有较大的延伸 拉伸方向与原来取向的方向垂直，则如果脆性断裂强度低 于重结晶应力，即在重结晶前断裂，则发生脆性断裂，强度 较低；如重结晶应力较低，则断裂过程类似于未取向的结晶 聚合物，分子链在垂直方向重新取向和结晶，最后得到与原 取向方向垂直的新结晶聚合物，最后经应变硬化断裂

流变学概述

流变学概述
流 变 学 概 述
化妆品乳液、番茄酱放置时粘稠，振摇后变稀； 圆珠笔写字、油漆未干而不流下、牙膏给予压力后 从管中挤出。 在药剂学当中混悬剂、乳剂的稳定性，软膏的涂 布性，液体制剂的易于服用，这些均应从流变学的 观点进行探索。
一．变形与流动
主研究物质的变形和流动的一门科学
流变学——来源于希腊，由Bingham和Crawford 为了表示液体的流动和固体的变形现象而提出来 的概念。 变形：对某一物体施加压力时，其内部各部分 的形状和体积发生变化的过程。主要与固体的性 质相关。 应力（Stress）：对固体施加外力，则固体内部 存在一种与外力相对抗的内力使固体恢复原状。 此时在单位面积上存在的内力称为应力。
1 mPa.s = 1 cP
二．弹性与黏性
在流速不太快时，可将流动着的液体视为互相平行移 动的液层叫层流（如下图），由于各层的速度不同，便形 成速度梯度du/dy，这是流动的基本特征。
表征体系流变性质的两个基本参数：
1. 在单位液层面积（A）上施加的 使各液层间产生相对运动的外力称 为剪切应力，简称剪切力（sheari g force）,单位为N/m2，以S表示。 2.剪切速度（rate of shear）， 单位为S-1，以D表示。
基本概念剪切应力shearstressappliedforceperunitareapa剪切应力pastationaryplatemoveableplatedistanceforcedynes单位面积所受的剪切力theappliedforceperunitareapa基本概念剪切应变shearstrain剪切应变shearstrain被简称为应变strain无量纲常常用表示剪切应基本概念剪切速率shearrate剪切应变速率shearstrainrate或者剪切速率shearrate表示剪切应变快慢1剪切速剪切粘度shearviscosity粘度越小越容易流动水等剪切粘度剪切应力施加外力剪切速率运动速度pascalsecondpassicp二

流变学1

流变学1

第一章 流变学基本方程
1.1标量、矢量和张量 标量、 标量
标量：没有任何方向性的纯数值的量。如质量、密度、体积等。 标量 其特征是其值不随坐标系变换而改变。 矢量：既有大小，又有方向的量。如位移、速度、温度梯度等。 矢量 a=axi+ayj+azk, 流变学中常写着a=a1i+a2j+a3k. 坐标系变换后， 需通过坐标变换公式。 张量： 张量 物理定义：在一点处不同方向面上具有各个矢量值的物理 量。流变学中应用的是二阶 二阶张量，是面量。 二阶 数学定义：在笛卡尔坐标系上一组有3n个有序矢量的集合。 N称为张量的阶数，标量为零阶张量，矢量为一阶张量。 张量可按柱面坐标和球面坐标进行转换。张量具有可分解性和 加和性。
研究聚合物流变学 聚合物流变学的意义在于： 聚合物流变学 ①可指导聚合，以制得加工性能优良的聚合物。例如：合成所 需分子参数的吹塑用高密度聚乙烯树脂，则所成型的中空制品的冲 击强度高，壁厚均匀，外表光滑；增加顺丁橡胶的长支链支化和提 高其分子量，可改善它的抗冷流性能，避免生胶贮存与运输的麻烦。 ②对评定聚合物的要意义。例如：通过控制冷却水温及 其与喷丝孔之间的距离，可解决聚丙烯单丝的不圆度问题；研究顺 丁橡胶的流动性，发现它对温度比较敏感，故需严格地控制加工温 度。 ③对设计加工机械和模具有指导作用。例如：应用流变学知识 所建立的聚合物在单螺杆中熔化的数学模型，可预测单螺杆塑化挤 出机的熔化能力；依据聚合物的流变数据，指导口模的设计，以便 挤出光滑的制品和有效地控制制品的尺寸。
是矢量场中任一点通过所包围界面的通量，并除以此微元体 积，记为div υ.为标量。最常用的是速度矢量场的散度。 若 则 散度的基本运算法则为
1.5矢量场的旋度（Curl） 矢量场的旋度（ 矢量场的旋度 ）

国务院学位委员会、国家教委关于施行《授予博士、硕士学位和培养研究生的学科、专业目录》的通知

国务院学位委员会、国家教委关于施行《授予博士、硕士学位和培养研究生的学科、专业目录》的通知

国务院学位委员会、国家教委关于施行《授予博士、硕士学位和培养研究生的学科、专业目录》的通知文章属性•【制定机关】国务院学位委员会,国家教育委员会(已更名)•【公布日期】1990.11.28•【文号】学位[1990]030号•【施行日期】1990.11.28•【效力等级】部门规范性文件•【时效性】现行有效•【主题分类】学位管理与研究生教育正文国务院学位委员会、国家教委关于施行《授予博士、硕士学位和培养研究生的学科、专业目录》的通知（学位[1990]030号1990年11月28日）《授予博士、硕士学位和培养研究生的学科、专业目录》（下简称专业目录），业经国务院学位委员会第９次会议和国家教育委员会审议批准，从即日起正式施行。

专业目录是国务院学位委员会学科评议组审核授予学位的专业范围划分的依据；同时，学位授予单位按此专业目录中各专业所归属的学科门类，授予相应的学位。

培养研究生的高等学校和科研机构，以及各有关主管部门，可以参照此专业目录拟订培养研究生的规划，进行招生和培养工作。

专业目录是在原《高等学校和科研机构授予博士和硕士学位的学科、专业目录（试行草案）》（下简称试行草案）的基础上修改拟订的。

关于专业目录与试行草案的对照表以及学科、专业简介，将由国务院学位委员会办公室组织编写后另发。

现将专业目录发给你们，望转发所属有权授予博士、硕士学位的高等学校和科研机构，认真贯彻执行。

授予博士、硕士学位和培养研究生的学科、专业目录说明一、《授予博士、硕士学位和培养研究生的学科、专业目录》，是国务院学位委员会学科评议组审核授予学位的专业范围划分的依据。

同时，学位授予单位也按此目录中各专业所归属的学科门类，授予相应的学位。

培养研究生的高等学校和科研机构以及各有关主管部门，可以参照此目录拟订培养研究生的规划，进行招生和培养工作。

二、《授予博士、硕士学位和培养研究生的学科、专业目录》（下简称专业目录）是在原《高等学校和科研机构授予博士和硕士学位的学科、专业目录（试行草案）》（下简称试行草案）的基础上，根据国家建设和社会发展目前和长远的需要，以及科学、文化和技术发展情况，为适应深化高等教育改革的形势经过修改拟订的。

第六章流变学

第六章流变学


解释：源于液体的弹性，在流体中心切速率最大，张力 最大，迫使液体向中心移动，产生爬杆现象。
8.9 降摩阻效应

少量的高分子化合物溶液具有使粘度上升而在管式流动中 的阻力下降现象，称之为“Tom”效应，或降摩阻效应， 或降阻效应。

应用：长距离管道输送原油，加入极少量的降摩阻剂，即 可提高输送效率；军事上喷火器、鱼雷的施放、快艇、潜 艇外壁上喷涂一层降摩阻剂，可大大提高速度；鱼类表面 分泌黏液也是为了减少摩擦阻力；血液内注入高分子降摩 阻剂（葡聚糖）可降低血压，防止在血管壁上沉积。

本章研究固体分散在液体中的溶胶或悬浮体。
8.1 粘度

粘度是液体流动时所表现的内摩擦。 τ=η·D 其中η是切力与切速率之间的比例系数，称为该液体的粘 度，τ是单位面积上的切力，D表示切速率。

凡是服从这种简单比例关系的液体均称为牛顿液体，这种 粘度称为牛顿粘度。

在室温下水的粘度为1mPa · s。

属于假塑性流体的有高分子溶液、淀粉溶液、乳状液 等。 塑性体系的切力必须超过一定数值后才会发生切稀作 用，能使体系开始流动的那一点切力称为“屈服值”。


属于塑性体系的有油漆、牙膏、泥浆等。 胀性体系有切稠作用，这种体系并不罕见，比如揉面 及许多色料在水中或有机溶剂中都有这种现象。
8.4

塑性体系
若一个物体所受的切力超过某一个限度，其形状的改变是 永久的，则该体系便是可塑的，象制陶黏土及金属等均有 此性质。

通常认为分散体系的可塑性质是由不对称性粒子的网状结 构引起的，要使体系流动必须破坏网状结构。所以切力要 超过屈服值以后，体系才开始流动，随着切力的增加，结 构不断被破坏，表现出来的粘度也下降。

流变学PPT课件

流变学PPT课件
1
流变学（Rheology ）的定义
• 流变学是研究物质形变和流动的科学流变学是研究流动与 变形的科学 。对于粉末冶金、塑料、油漆、印刷油墨、 清洁剂、石油等行业的科技人员来说，拥有流变学知识是 十分必要的。从物质状态来说，流变学的研究对象包括固 体、流体和悬浮体。因此流变学又可分为固体流变学、流 体流变学和悬浮体流变学。在工业生产与日常生活中，对 流体流变学的研究远远超过固体
16
•
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，适于光纤的保护层；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
调。磁流变液的优良特性使其在航空航天（真空中）、
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。
20
21
3
流体及其分类
• 流体是液体和气体的总称。流体是由大量的、不断作热运 动而且无固定平衡位置的分子构成的，它的基本特征是没 有一定的形状和具有流动性。通常依据在一定的温度和一 定的剪切应力作用下流体所表现出的特性，把其划分为牛 顿流体与非牛顿流体两大类。这个特性就是粘度，粘度是 表示体系对流动阻力的一种性质，它可以理解为液体流动 时表现出的内摩擦。以下，我们仅研究非牛顿流体
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正常情况下血液在外力血压的作用下在血管内流动并随着血管性状管壁情况和血管形状等及血液成分粘度的变化而变维持正常的血液循环

第四章 化工流变学基础

第四章 化工流变学基础

相对分子质量相 同而分布不同， 流体粘度随分布 宽度而迅速下降， 流动表现出更多 的非牛顿性,对剪 切敏感；对温度 变化的敏感性小。
相对分子质量分布对聚合物 流动曲线的影响
影响流动特性：
分子量与分子量分布的影响 临界剪切速率 非牛顿性增强。
2、温度对粘度的影响 温度↑，粘度↓
A expE RT
0.26 0.26 0.26 0.52 0.57 0.57 0.42 0.51 0.62 0.5 0.59 0.64 0.61 0.68 0.79 0.28 0.30 0.31 0.35 0.38 0.43 0.77 0.79 0.70
0.11 0.13 0.15 0.41 0.45 0.47 0.24 0.28 0.36 0.29 0.33 0.37 0.35 0.42 0.54 0.27 0.29 0.30 0.17 0.20 0.24 0.74 0.75 0.6
PBT
301-G30
240 260 280
PA1010
240 260 280
PA6
240 260 280
PA66
240 260 280
PS
666D
200 220 240
PSF
S-100
340 360 380
PC
6709
290 310 330
切力变稀的原因:
大分子链间发生的缠结。
M≥Mc时，链间形成缠结点。缠结点不断地 拆散和重建，并在某一特定条件下达到动态 平衡---瞬变网络体系 。
lg

0
与 lg
M
作图有：线性

转折
M c 为临界分子量
PS熔体粘度对分子量的 关系

工业流变学(3)06-8-11

工业流变学(3)06-8-11

工业流变学教师：张立娟中国石油大学（北京）第三章习题1. 流变学的核心问题是什么? 2. 简述本构方程的一般原理。

3. 根据本构方程客观性原理，讨论速度梯度分解的意义。

4. 简述材料函数与本构方程在概念上的区别与联系。

为什么有了本构方程的概念后 还要引入材料函数的概念？ 5. 根据本构方程所表征的流变性，介质可分成哪几类？每类介质的流变性各有什么 主要特征？ 6. 写出流变准数（德博拉数）的定义式，并阐述通常的“流体”与“固体”概念的时间 相对性。

第三章习题7. 写出幂律模型和Cross模型，并说明方程中各参数的意义。

8. 根据幂指数的不同，幂律模型可以描述哪几种流体的流变性？绘出每类流体的应 力—变形速率和表观（视）粘度—变形速率示意图。

9. 请解释剪切稀释和剪切增稠的概念。

10.根据一般聚合物溶液视粘度曲线，分析幂律模型对描述聚合物溶液流变性的适 应范围。

11.简述塑性本构方程的意义。

写出两种常用的塑性本构方程，并解释其中流变参 数（材料常数）意义。

12.阐述触变性和反触变性的概念。

13. 触变性与剪切稀释特性有何本质的不同？第三章习题14. 模拟材料力学特性的主要理想元件有哪几个？ 15. 写出模拟线性粘弹性元件的本构方程。

16. 试推导Maxwell本构方程。

17. 简述Kelvin模型的基本构成，并推导其本构方程。

18. 试比较Maxwell和Kelvin力学模型，由这两种不同的模型得到的本构方程所描 述的介质流变行为有何不同？第三章 流体的本构方程3.1 概述 3.2 与时间无关的本构方程 3.3 触变性本构方程 3.4 粘弹性本构方程3.1 概述3.1.1 1. 本构方程数学描述 应力 本构方程本构方程的一般形式力流体形变、流动数学描述应变、应变速率3.1 概述3.1.1 1. 本构方程 材料所受力系（应力）与应变及应变速率（流变） 之间的关系 本构关系 本构方程 流变学的 核心问题 本构方程的一般形式表征材料流变特性（本构关系）的 数学模型3.1 概述3.1.1 1. 本构方程不同种类的介质其力学相应不同 同一介质在不同的条件下其力学相应不同 力学响应的多样性本构方程的一般形式本构方程力学行为上的共性代表材料共性的理想化模型转化为准确 的数学表述时，通常必须遵循一系列基 本物理原理3.1 概述3.1.1 2. 本构方程的一般原理 ① 决定性原理 材料当前的应力状态由其运动的历史决定。

流变学测量方法简介doc

流变学测量方法简介doc

F / A 或
(1)
式中，F：A 面积上施加的力；η：粘度（viscosity）或粘度系数（viscosity coefficient），是表 示流体粘性的物理常数。SI 单位中粘度用 Pas 表示；常用单位还有 mPas、P（泊）、cP（厘 泊），其中 1P=0.1Pas，1cP=1mPas。 根据公式可知牛顿液体的剪切速率与剪切应力 τ 之间关系，如图 2 所示，呈直线关系，且 直线经过原点。这时直线的斜率表示粘度，粘度与剪切速度无关，而且是可逆过程，只要温度 一定，粘度就一定。
流变学测量方法简介
流变学测量方法 简 介
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流变学测量方法简介
目
录
一. 流变学基本概念 ....................................................................................................................... 2 1.1 流变学研究的内容 ........................................................................................................... 2 1.2 剪切应力与剪切速度 ....................................................................................................... 2 1.3 粘度 ................................................................................................................................... 2 1.4 流体的分类 ....................................................................................................................... 2 1.5 影响材料流变学性质的因素 ........................................................................................... 4 二. 流动特性的研究 - 旋转测量 ..................................................................................................... 6 2.1 旋转测量的目的 ................................................................................................................ 6 2.2 旋转测量的方法 ................................................................................................................ 6 2.3 旋转测量中的几种分析模型 ............................................................................................ 7 三. 变形特性的研究 – 振荡测量 ................................................................................................... 9 3.1 振荡测量的原理 ................................................................................................................ 9 3.2 振荡测量的方法 .............................................................................................................. 10 3.3 振荡测量中的几种分析方法 .......................................................................................... 12 四. 化学反应过程中的流变测试................................................................................................... 13 五. 温度变化过程中的流变测试................................................................................................... 14 5.1 粘温曲线测量 .................................................................................................................. 15 5.2 凝固、熔融过程 .............................................................................................................. 15 5.3 有化学反应的相转变过程 .............................................................................................. 15 5.4 DMTA 测量 ...................................................................................................................... 16 六. 流变测量指南 .......................................................................................................................... 17 6.1 测试系统的选择 .............................................................................................................. 17 6.2 旋转测试 .......................................................................................................................... 17 6.3 振荡实验 .......................................................................................................................... 18

流变学

流变学

流变学是研究物质变形与流动的科学，实际物质在外力作用下怎样变形与流动，这是物质本身固有的性质，可以称其为物质的流变性(即物质在外力作用下变形与流动的性质)。

流变学就是研究物质流变性的科学。

流变学中有三种基本变形：简单拉伸、简单剪切和体积压缩与膨胀。

对一些简单的流变性质的描述也可用曲线形式表示，如剪切应力与剪切速率关系曲线、粘度随剪切速率变化曲线等，并称之为流变曲线。

流场是指液体的物理点（或微团）的物理量在给定空间内的分布。

典型流场是为简化运动微分方程而引入的简单流场，而且此简单流场在实际生产中又具有现实意义。

平行平板间的拖动流—简单剪切流场分散体系是指将物质(固态、液态或气态)分裂成或大或小的粒子，并将其分布在某种介质(固态、液态或气态)之中所形成的体系。

非均匀分散体系必须具备2个条件：①在体系内各单位空间所含物质的性质不同；②存在着分界的物理界面。

对非均匀分散体系，被分散的一相称为分散相或内相，把分散相分散于其中的一相称为分散介质，亦称外相或连续相对非牛顿流体，没有恒定的粘度概念，不同的剪切速率下有不同的表观粘度，这是非牛顿流体的一大特点触变性：在恒定的剪切应力或剪切速率作用下，流体表观粘度随时间连续下降，并在剪切应力或剪切速率消除后，表观粘度随之恢复的现象，称为触变性。

反触变性流体：在恒定的剪切应力或剪切速率作用下，流体表观粘度随时间而增加。

其性质正好与触变性相反。

触变性特征：(1)在静止条件下，流体结构发展增强(2)(3)结构的破坏和恢复是等温可逆的，但结构恢复往往要比构的破坏所需的时间长得多(4)在恒剪切速率作用下，流体流变性有如下表现：a)如果流体以前处于静止状态或经受较低的剪切速率剪切，那么，剪切应力将随时间而下降b)如果流体以前经受较高的剪切速率剪切，那么，剪切应力将随时间而增加。

c)不管流体以前经受的剪切条件如何，如果流体在恒定的剪切速率条件下剪切足够长的时间，剪切应力最终将达到一个与剪切速率相对应的动平衡值。

流变学课件

流变学课件

力学状态:结晶态、无定形态和液晶态 聚合物液态:溶体、悬浮体、分散体和熔体 固体聚合物:均质态、取向态和多相态 无定形态聚合物：玻璃态、高弹态和粘流态； 结晶型聚合物有晶体和熔体
流变性能与 时间有关，
粘弹性
聚合物液态
聚合物溶体 悬浮体
1％以下的稀溶液，其性能不随时间 变化，属于牛顿流体 10％以上时，属于非牛顿的假塑性流 体，有剪切变稀的特征
线性粘弹性
非线性粘弹性
1.3.4聚合物流变行为的特性
(1)多样性
分子结构有线性结构、交联结构、网状结构等
分子链可以呈刚性或柔性
流变行为多种多样，固体高聚物的变形可呈 现线性弹性、橡胶弹性及粘弹性。聚合物溶液 和熔体的流动则可呈现线性粘性、非线性粘性 、塑性、触变性等
(2)高弹性 聚合物特有的流变行为
高达60％，失去流动性,属于非牛顿的 宾汉流体
更高浓度时，高交联度和高粘度，成为 冻胶和凝胶 （非牛顿）
剪切变稀的特征，假塑性非牛顿流体 剪切变稠特征，即膨胀性非牛顿流体
分散体
剪切速率较高时，假塑性非牛顿流体
在剪切速率不断提高时，膨胀性的非 牛顿流体
三维结构的凝胶体 ，宾汉流体
聚合物形态的转变 ——聚合物形态的热转变
➢聚合物流变性又是其加工成型的基础。粘度的温度依 赖性及剪切速率依赖性是确定加工工艺参数的重要依据
➢研究聚合物的流变行为为研究聚合物的分子结构提供 了重要的信息。
第二章 流变学的基本概念
流变学
变形 流动
应力与应变的关系 应力与应变速率的关系
应力、应变、应变速率
2.1 简单实验 （Simple experiments）
聚合物结构流变学和聚合物材料加工流变学，及其测定方 法和实际应用

流变学基础

流变学基础

相位角是弹性的量度
相位角越大，材料粘 性越大 相位角越小，材料弹 性越大

动态测量计算得到的参数
• 储能 (弹性) 模量, G’
• 损耗 (粘性) 模量, G” • 复数模量, G*
= 应力 x Cos (相位角) 应变
= 应力 x Sin (相位角) 应变 = 应力 应变
• 复数粘度, *
频率扫描 – 可测时间尺度下的结果
Silly Putty Sample
• 力学谱 ，类似于红 外谱
• 指纹特征
• 显示与时间相关的 加工行为
Long Timescale
Short Timescale
蠕变测量
• 蠕变
– – – – 施加一恒定应力并保持不变 测量应变随时间的变化值 通常把柔量，J (应变/应力)与时间作图 能用来得到零剪切粘度
应力松弛测量
• 应力松弛
– – – – – 施加一恒定应变并保持不变 测量应力随时间的变化值 通常把模量，G (应力/应变)与时间作图 能用来得到松弛时间谱 能用来得到零剪切粘度
应力松弛测量
10 瞬时阶跃应变 恒定应变
1.0 应变 % 0.1
0.01
0.001
0.01
0.1
1
10
100
时间 log secs
H
剪切应变变形
在上端面施加一个力，该力就产生一个形变 Force, F
剪切应变变形
在上端面施加一个力，该力就产生一个形变
Force, F
剪切应变变形
在上端面施加一个力，该力就产生一个形变 Force, F
剪切应变变形
在上端面施加一个力，该力就产生一个形变
du Force, F

流变学

流变学

p
11 22 33
3
流变学基本物理量与基本概念
偏 应 力 张 量
第一法向应力差 第二法向应力差
流变学基本物理量与基本概念
应力张量不变量
I1 11 22 33
11 21 22 23 11 13 I2 12 22 32 33 31 33
流变学基本物理量与基本概念
应变速率张量的性质
a.对称性； b.应变速率张量随坐标转动而变换； c.应变张量也有三个不变量。
I xx yy zz
y y
zz
z z
2、角变形速率
流变学基本物理量与基本概念 流体-剪切速率
1 1 2 2
u y x t x 1t u x x xt x u y 1t t x u x yt y 2t u x y yt y u x 2t t y
流变学基础
Polymer Rheology
流变学概念
流变学是什么？
流变学是一门研究材料流动和变形规律的科学。高分子材料流 变学是研究高分子液体，主要是指高分子熔体、高分子溶液， 在流动状态下的非线性粘弹行为，以及这种粘弹行为与材料结 构及其它物理、化学性质的关系。
流动
流体
粘性
耗散能量
产生永久 变形
流变学基本物理量与基本概念
偏应力张量
11 12 13 21 22 23 31 32 33
11 12 13 p 22 23 0 21 31 32 33 0 0 p 0 0 0 p
v x v z z x v y v z z y v z 2 z
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和Kelvin模型是最简单的粘弹模型、Bingham模型是具有屈服应力广义 牛顿流体模型、Burgers模型是研究混凝土及沥青混合料时常用的模 型。
1.1 流变学概论
1.1.2 流变学的发展简史
流变学在现代的飞速发展 ●新产品的研制 使固体蠕变和粘弹性有关的流变学迅速发展起来 ● 在地球科学中，流变学为研究地壳中物理现象提供了物理－数学工具 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
1.1 流变学概论
1.1.4 流变学的研究内容和研究方法
1 基本概念
外力
流体
抵抗流动
流动
内摩擦力（阻力）
规律性
流变模型 本构方程
数学模型 流变性
流变性能
流变现象 材料函数
1.1 流变学概论
1.1.4 流变学的研究内容和研究方法
1 基本概念
流变现象
是材料的流变性能的体现
流变方程 或本构方程
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
1.2.1 牛顿内摩擦定律 1.稳态的简单剪切流动
所有流体沿平面(x方向)作一维流动； 不同流体层间具有不同的速度，且其速度随y的增大而增大。
y
,
x
1.2 牛顿和非牛顿流体
1.2.1 牛顿内摩擦定律
1.稳态的简单剪切流动
y A C B
剪切流场
A V+dv
A
Bv
C C Tyx B
A
Tyx
C
B 流体层间切应力
工业流变学
教师：张立娟
中国石油大学（北京）
参考教材
1.《非牛顿流体力学原理与应用》 岳湘安编著，石油工业出版社， 1996 2.《工业流变学》江体乾编著，化学工业出版社，1995
3. H.A. Barnes, J.F. Hutton, K. Walters. An Introduction to Rheology. Elservier Science Publishers B.V., 1989 4. Roger I. Tanner Engineering Rheology. Oxford University press, 1985
本门课的主要学习内容
第一章 绪论 第二章 连续介质力学基础 第三章 流体的本构方程 第四章 流变性测量方法 第五章 石油开采中流体的流变性 演示实验 测试聚合物溶液视粘度
第一章 绪 论
1.1 流变学概论 1.2 牛顿和非牛顿流体 1.3 典型的流变现象
1.2 牛顿和非牛顿流体
(1)切应力对宏观流动的影响
① 对较高速的层（分子、粒子）流动是阻力；阻滞高速层的流体。 ② 对低速分子为动力；使速度较低的流体层加速。
(2)内摩擦力产生的机理
① 以不同速度运动的两层间分子热运动引起的动量交换; ② 两层相邻的流体分子之间的附着力
1.2 牛顿和非牛顿流体
1.2.1 牛顿内摩擦定律
② 理论流变学——应用数学、力学、物理等基本理论与方法，研究材料 质的流变现象。建立能够充分描述材料内部结构与材料力学特性之间关系的流 变模型，揭示材料流动与形变的本质与规律性。
1.1 流变学概论
1.1.3 流变学的分类
2 根据研究尺度 ① 宏观流变学——用连续介质力学方法来研究材料的流变性 （连续介质流变学、唯象流变学 ）
要点回顾
3个概念
流变学的定义： 流变学(Rheology)是研究材料在外力作用下流动与形变规律的科学。
本构方程或流变方程的定义： 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。
材料函数的定义： 能够反映材料在力的作用下流动行为并通过仪器可测定的时间和力的函数。
分子结构比较复杂的单相体系和多相混合物在一定条件下都表现出明显的 非牛顿流变性。例如，聚合物溶液和熔体、原油、油脂、泥浆、纸浆、凝 胶、油漆、染料、血液、大多数食品原料和化妆品、熔化的玻璃和金属、 岩浆等等
要点回顾
1.流变学、本构方程、材料函数 2. 内摩擦力产生的机理 3. τ yx =ηγ& 所描述的流体流变性
1.1.1 流变学的概念
典型的流变现象之二
爬杆现象
甘油溶液
聚丙烯酰胺溶液
1.1 流变学概论
1.1.1 流变学的概念
流变学的定义： 流变学(Rheology)是研究材料在外力作用下流动与形变规律的科学。
动力
动力的响应
流变学多学科综合交叉性： 基础——力学、物理学、数学 涉及的学科领域——材料科学 化学(胶体化学与高分子化学) 生物学 地质学 机械学
材料函数
能够反映材料在力的作用下流动行为并通过仪器可 测定的时间和力的函数
1.1 流变学概论
1.1.4 流变学的研究内容和研究方法
2 研究内容 ① 对材料流变现象和物性的研究
将实验中观察到的流动行为概括成一些可测量的材料函数（如粘度、
法向应力等）
研究测量原理和测量技术，并对材料函数进行测量。
② 对材料的变形和流动规律研究
2.牛顿内摩擦定律
(3)速度梯度
在固体力学中，基本的本构方程——描述应力与应变关系的数学模型 在流体力学中，基本的本构方程——描述应力与流动关系的数学模型
如何表征？
流体层间的速度变化率——速度梯度 dv
dy
一维流动
速度梯度→剪切变形速率
γ& = dv
dy
1.2 牛顿和非牛顿流体
1.2.1 牛顿内摩擦定律
2.牛顿内摩擦定律
(4)数学描述
1686年，牛顿根据大量实验数据发现，许多流体在作平行直线运动时，相邻 流体层之间的切应力与该处的剪切速率成线性关系，其流变本构方程为
τ yx = ηγ&
y：切应力的作用面的法向 x：切应力的作用方向
动力粘度
牛顿内摩擦定律，通常又被称为牛顿本构方程
1.2 牛顿和非牛顿流体
② 结构流变学——从分子、微观出发，研究材料流变性与材料结构 (包括化学结构、物理结构和形态结构)的关系。结构流变学还常被称为分 子流变学或微观流变学。
1.1 流变学概论
1.1.3 流变学的分类
3 根据工程应用分类 聚合物流变学——研究对象为聚合物材料(聚合物固体、熔体和溶液) 生物流变学——研究对象为生物流体(如血液、粘液、关节液等)和生物物 质(如肌肉、心脏、膀胱、其它软组织、软骨等) 石油工程流变学——研究对象为原油、天然气、钻井液、完井液、压裂 液、驱油剂、调剖剂 冶金流变学 地质流变学 土壤流变学 ……
●计算管路或地层中流动阻力：非牛顿流体输送管路的设计计算比牛顿
流体复杂得多。在计算之前首先判断特定的流体在特定的流动条件可用哪种流
变模型描述——是广义牛顿流体流变模型还是粘弹性流体流变模型？
非牛顿流体管路输运的计算不能套用牛顿流体的公式，而必须运用流变 学的知识去寻找或建立新的公式。
1.1 流变学概论
第一章 绪 论
1.1 流变学概论 1.2 牛顿和非牛顿流体 1.3 典型的流变现象
第一章 绪 论
1.1 流变学概论
一 流变学的概念 二 流变学的发展简史 三 流变学的分类 四 流变学的研究内容
和研究方法
1.1 流变学概论
1.1.1 流变学的概念
典型的流变现象之一
挤出胀大
聚合物加工口模设计
1.1 流变学概论
……
1.1 流变学概论
1.1.2 流变学的发展简史
史前时期 ● 狩猎工具的弓箭 ● 文物考古出土的新石器时代的陶器可推知，当时的人类已经认识并掌握了
粘土和水混合物的可塑性。 1869年
英国物理学家Maxwell发现，材料可以是弹性的，又可以是粘性的。 他与Kelvin等都认识到材料的变化与时间存在紧密联系的时间效应。 20世纪20年代 “流变学” 作为一门相对独立的学科领域出现 涂料、印刷油墨、食品、化妆品、陶瓷等具有流动性，但却不服从牛顿内摩 擦定律;它们在半固态下可表现出弹性，却不服从虎克定律。 美国物理化学家 E.C.Bingham 在研究了各种胶体物质分散体系的流动之 后，深感建立一门“总和各种不同物质的流动与形变的应用科学”的必要性和重要 性。他的想法得到了许多学者的赞同，并于1929年创立了一个新的学会——流 变学会。
学习要点
内摩擦力（切应力）产生的机理及其对流体宏观流动的影响 牛顿本构方程所描述的流体流变性 流变性的意义 流体的分类
1.2 牛顿和非牛顿流体
1.2.1 牛顿内摩擦定律
外力
流体
抵抗流动
流动
内摩擦力（阻力）
规律性
流变模型 本构方程
数学模型 流变性
流变性能
流变现象 材料函数
1.2 牛顿和非牛顿流体
温、高压岩石流变试验来模拟。 ● 蠕变断裂流变学发展起来 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。
1.1 流变学概论
1.1.3 流变学的分类
1 根据研究方法分类
① 实验流变学——通过现代实验技术来揭示材料的流变规律 ● 建立材料的经验或半经验流变模型，解决工程中的流变学问题 ● 揭示材料在各种条件下流变性的物理本质 ● 研究测量原理和测试技术，用以研制或改进测试仪器和测试手段
1.2.2 基本概念 2. 流体的流变性
流体的流变性是流体的一种动力学特性，而不是单纯的物理特性。
① 流体所表现出来的流变性不仅与其组成、分子结构有关，而且 与该流体所处的动力学条件有关。某些高分子溶液在低剪切速率下表现 为牛顿流变性，而在中等剪切速率下则表现为拟塑性。
② 同一种介质，在不同的流动条件下，所表现出来的流变性也有 可能不一样，需要用不同的流变本构方程来描述。