流变学介绍

一 流变学介绍

流变学是研究物质在外力作用下与时间因素相关的流动和变形的科学，主要研究对象是流体、软固体，或在某些条件下可以流动的固体。自上世纪初，它从力学的一个分支，逐步发展成为一门交叉学科，融合了工程技术、物理、应用数学、化学、生物和医学等诸多学科，衍生出了粘弹性流变学、高分子流变学、自组装分子和胶体多相物质流变学、石油流变学、地球物理流变学、岩土流变学、食品流变学、化妆品和药物流变学、电-磁流变学、血液流变学、生物和生理流变学等许多分支。其研究内容涉及到各个行业，如金属和非金属材料加工（3D打印）、医药制造和医学工程、电子和半导体、机械、汽车、冶金、石油、橡胶、纺织、塑料、化工、涂料和喷漆、选矿、食品、轻工、造纸、污水处理与环境工程等领域。在这些领域里，流变学研究各种材料的蠕变和应力松弛的现象以及材料的流变模型，而关键在于构建能真实反映物质特征的应力应变本构关系，这是流变学的核心研究内容。流变学来源于普通力学，但描述其非线性力学行为的控制方程更复杂, 研究领域更具有普遍性和科学挑战。举蜘蛛和家蚕为例，二者不仅能在体内合成丝蛋白大分子并调配出完美的液晶吐丝液，还能在常温、常压下把高浓度液晶蛋白溶液精密地抽纺出性能卓越的超级纤维，能复制这一蕴藏于生命体内的配方和工艺诀窍是所有流体力学科学家的梦想。

二 流变学研究方法

流变学研究已近百年，从一门基础学科发展至今，其研究方法逐步将理论研究和专业实验技术融为一体。上世纪六十年代，剑桥大学卡文迪什实验室的著名物理学家Sir Sam F. Edwards教授开创了基于物质世界多层次结构运动机理构建本构模型的先河，为流变学科发展注入了强劲的活力。通过与计算模拟、以及能够揭示外加场下物质微观结构演化的小角中子散射、小角和广角X射线衍射、小角光散射、激光双折射、激光跟踪粒子运动等实验技术相结合，基于微观分子动力学的高分子流体本构模型日趋成熟并获得实证，实现了从分子水平上定量预测具有高度分子链缠结聚合物体系的流变行为，使得从分子设计、加工工艺优化到实用性能调控的全数字制造高性能聚合物产品成为可能，突破了以往流变学领域的唯象本构模型经不起实验的全面验证、难以用于工程实践的瓶颈。这种通过学科交叉以及多方面实证把一门凭经验描述性的学科提升成为定量学科也正是当前复杂流体、软物质科学、生命科学和医学的发展趋势。

三 流变学基本实验方法：

Ø 蠕变实验

• 利用流变仪，对材料试体加入不变的扭力，研究其扭转蠕变性能；

• 对材料试体施加不变的拉力，从中研究材料的拉伸蠕变性能；

• 对材料施加不变的剪力，研究其剪切蠕变性能，此项在专门的剪力仪中进行；

Ø 流变学动力试验

• 动力试验，即对材料试体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。动力试验可以测量能量散耗与频率的关系，已这个规律比较蠕变试验，进行分析，建立模型；

Ø 流变学应力松弛实验

• 将材料试体置于应力松弛试验仪上，使其产生一恒定的变形，试体所受应力会随时间衰减，从中研究材料的流变性能，材料松弛时间的频谱也可随之计算。