非牛頓流體-中國(guó)流變網(wǎng)

1、流變學(xué)簡(jiǎn)介流變學(xué)是一門(mén)介于力學(xué)、化學(xué)、 物理與工程科學(xué)之間的新興交叉學(xué)科, 是物理學(xué)的一個(gè)分支，它主要研究材料在外界作用( 應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、輻射等) 下的變形和流動(dòng)的科學(xué)。 這里所說(shuō)的材料既包括流體形態(tài)，也包括固體形態(tài)的物質(zhì)。 在常溫常壓下，物質(zhì)可分為固體、液體和氣體三種狀態(tài)；特殊情況下，還有等離子態(tài)和超固態(tài)。氣體和液體又合稱(chēng)為 流體 。從力學(xué)分析的角度， 通常認(rèn)為流體與固體的主要差別，在于它們對(duì)于外力的抵抗能力不同 。 固體有能力抵抗一定大小的拉力、壓力和剪切力。當(dāng)外力作用在固體上時(shí)，固體將產(chǎn)生一定程度的相應(yīng)變形。固體靜止時(shí)，可以有法向應(yīng)力和切向應(yīng)力。而流體在靜止時(shí)，則不能承受

2、切向應(yīng)力，微小的剪切刀將使流體產(chǎn)生連續(xù)不斷的變形。只有當(dāng)剪切力停止作用時(shí)，流體的變形方會(huì)停止。流體這種在外力作用下連續(xù)不斷變形的宏觀性質(zhì)，通常稱(chēng)為流動(dòng)性 。虎克彈性固體力學(xué)一般認(rèn)為，英國(guó)物理學(xué)家虎克于 1678 年首先提出了，在小變形情況下，固體的變形與所受的外力成正比。這一彈性體變形與應(yīng)力關(guān)系的基本規(guī)律，后來(lái)稱(chēng)為虎克定律。牛頓流體力學(xué)英國(guó)科學(xué)家牛頓在 1687 年 最先提出了流體的應(yīng)力和應(yīng)變率成正比， 后來(lái)將此稱(chēng)為牛頓黏性定律， 并將符合這一規(guī)律的流體稱(chēng)為牛頓流體， 其中包括最常見(jiàn)的流體水和空氣， 而將不符合這一規(guī)律的流體稱(chēng)為非牛頓流體。上述兩定律是在17 世紀(jì)發(fā)表的，但直到19 世紀(jì)末 才

3、由 柯西、納維、斯托克斯等人推廣到三維變形和流動(dòng)， 并為科學(xué)界廣泛接受。從那以后，虎克彈性固體力學(xué)和牛頓流體力學(xué)隨著它在許多工程分支學(xué)科中的應(yīng)用，而得到巨大的發(fā)展。但是 流變學(xué)通常并不包括對(duì)上述兩種情況的研究，流變學(xué)要研究更加復(fù)雜的材料。流變學(xué)的誕生1928年 雷納 應(yīng)邀從巴勒斯坦到美國(guó)訪(fǎng)問(wèn)，與印地安納州Lafayette 學(xué)院 的 賓漢 ( Bingham E C 18781945)教授一起工作。賓漢對(duì)雷納說(shuō)，我(一個(gè)化學(xué)家)和你(一個(gè)土 木工程師)，一起工作解決共同的問(wèn)題，隨著膠體化學(xué)的發(fā)展，這種工作方式將會(huì)變得很平常， 因此 需要建立一個(gè)物理學(xué)科的分支來(lái)處理這類(lèi)問(wèn)題。雷納告訴賓漢，這樣的

4、分支是存在的，并且作為連續(xù)介質(zhì)力學(xué)而被人們所認(rèn)識(shí)。賓漢認(rèn)為這樣做不好，會(huì)嚇跑化學(xué)家，需要給它起一個(gè)新的名字。賓漢請(qǐng)教了一位擔(dān)任古典文學(xué)教授的同事，根據(jù)公元前6 世紀(jì)古希臘哲學(xué)家赫拉克利特( Heraclitus )“一切皆流”的說(shuō)法 ，提出了 “流變學(xué)”( Rheology ) 這個(gè)名字。Rheo 一詞來(lái)源于希臘語(yǔ) Rheos （流動(dòng)）之意。Rheology的中文譯名沒(méi)有簡(jiǎn)單地譯成流動(dòng)學(xué)，而是 創(chuàng)造性地譯成流變學(xué)，既有流動(dòng)，又有變形。賓漢于 1928 年在美國(guó)提議成立了流變學(xué)會(huì)（ Rheological Society ） ， 研究材料的變形和流動(dòng)。 1929 年召開(kāi)了流變學(xué)會(huì)的第一次會(huì)議，并

5、創(chuàng)辦了流變學(xué)雜志。這個(gè)流變學(xué)雜志，在1933 年后曾停止出版；1957 年作為T(mén)ransactions of Society of Rheology 重新出版；1978 年又恢復(fù)其最初的名字流變學(xué)雜志（ Journal of Rheology ）。賓漢是流變學(xué)的奠基人。他研究了懸膠、油漆、水泥等一些材料的流變特性，寫(xiě)了一系列論文，特別是在 1919年和H.格林聯(lián)合發(fā)表的論文 “油漆是一種塑性材料而不是黏性流 體” ，該文指出，油漆在剪切應(yīng)力較小時(shí)，剪切應(yīng)變率為零（或不發(fā)生流動(dòng)），只有在剪切 應(yīng)力超達(dá)過(guò)臨界值（即屈服應(yīng)力）時(shí)，才發(fā)生流動(dòng)，這時(shí)應(yīng)變率和應(yīng)力與屈服應(yīng)力之差成正比。 后來(lái)人們將具有這種

6、流變規(guī)律或本構(gòu)關(guān)系的材料或物質(zhì)，稱(chēng)為 黏塑性材料或賓漢塑性材料（簡(jiǎn)稱(chēng)賓漢體）。 Eg: 除 油漆 外， 石膏 、 懸膠 、 面粉團(tuán) ， 水泥砂漿等均可作為賓漢體來(lái)處理。 圣維南的塑性流動(dòng)材料和牛頓流體，均可作為賓漢體的特殊情況，前者的流動(dòng)速度為零，后者的屈服應(yīng)力為零。直到第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)以前，美國(guó)流變學(xué)會(huì)仍是世界上唯一的流變學(xué)會(huì)。1939 年 ，荷蘭皇家科學(xué)院成立了 以 J.M. 伯格斯為首的流變學(xué)小組。 1940 年 ， 英國(guó) 成立了 流變學(xué)家俱樂(lè)部 。 1945 年 12 月國(guó)際科學(xué)聯(lián)合會(huì)（ International Council of Scientific Unions） 組織了一

7、個(gè) 流變學(xué)委員會(huì)。 1947 年 在馮卡門(mén)主席的主持下舉行了第一次會(huì)議， 代表們來(lái)自物理、化學(xué)、生物科學(xué)、大地測(cè)量、空氣物理、理論和應(yīng)用力學(xué)的國(guó)際聯(lián)合會(huì)。委員會(huì)的職能是： 對(duì)流變學(xué)的專(zhuān)門(mén)名詞進(jìn)行命名 ；對(duì)流變學(xué)的論文 進(jìn)行 摘要 ； 組織國(guó)際流變學(xué)會(huì)議等。 1968年前 ，國(guó)際流變學(xué)會(huì)議每 5 年舉行一次。 1968 年 以后 ， 每 4 年舉行一次。 第 15 屆 國(guó)際流變學(xué)會(huì)議是2008 年 8 月在美國(guó)舉行的。1973年 國(guó)際流變學(xué)委員會(huì)被接納為國(guó)際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)的分支機(jī)構(gòu)。1974年 國(guó)際流變學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)被接納為國(guó)際理論和應(yīng)用力學(xué)聯(lián)合會(huì)的分支機(jī)構(gòu)。流變學(xué)的研究對(duì)象流動(dòng)的固體流變學(xué)

8、的研究對(duì)象之一流動(dòng)的固體，是指彈性形變與黏性流動(dòng)同時(shí)存在的物體。 “彈性形變”是指短暫的、能恢復(fù)原狀的形變。而 “ 黏性流動(dòng)” 是指持續(xù)的、不能恢復(fù)原狀的形變，它 也被稱(chēng)為 “流變” 。過(guò)去一般談固體時(shí)，是指只有彈性形變的物體；談到流體時(shí)，是指只有黏性流動(dòng)的流體。實(shí)際上，同時(shí)具有這兩種性質(zhì)的物體是很多的。用鋼棒和瀝青棒作如下的實(shí)驗(yàn)：將鋼捧放在兩支點(diǎn)上，棒的正中間放一重物，此時(shí)鋼棒彎了；當(dāng)重物取走時(shí)，彎曲了的鋼棒能完全恢復(fù)原狀如下圖a。鋼棒此時(shí)是彈性形變。將瀝青棒放到兩支點(diǎn)上，如下圖 b那樣，中間也放一重物。 重物放置一段時(shí)間后取走，瀝青捧 稍恢復(fù)了一點(diǎn)，但并沒(méi)恢復(fù)原狀，還是彎的。這里的瀝青棒，

9、除有彈性形變外，己有了流變。如在瀝青棒中間用手快速按一下，抬起手后，它能恢復(fù)原狀，表現(xiàn)出很好的彈性。 但若手按下較長(zhǎng)時(shí)間再抬起，就己不能恢復(fù)原狀。同是一根瀝青捧，迅速按一下，它是彈性體；較長(zhǎng) 時(shí)間地按，又顯現(xiàn)有流體的性質(zhì)。3）銅棒（能帙窟朦狀）（b）漸胄棒（不能恢復(fù)原狀）I -鋼捧與物青捧的變形一實(shí)際上很多物體，當(dāng)外力作用的時(shí)間小于某一時(shí)間時(shí)，物體表現(xiàn)出彈性；當(dāng)外力作用的時(shí)間大于這一時(shí)間，物體就會(huì)流變。這個(gè)時(shí)間就叫做物體的“緩和時(shí)間”。“緩和時(shí)間”是一個(gè)時(shí)間閾值，當(dāng)外力作用時(shí)間超過(guò)此閾值時(shí)，物體的彈性就會(huì)“緩和”而產(chǎn)生流變。彈性體與流體之所以不同， 也可認(rèn)為只是其緩和時(shí)間不同而已。緩和時(shí)間無(wú)限

10、長(zhǎng)的物體， 是理想的彈性體；緩和時(shí)間等于零的物體是理想的流體。具有彈性和黏性混合性質(zhì)的物體，其緩和時(shí)間既不為零，也不是無(wú)窮大，它們就是可流動(dòng)的固體，或者是有彈性的流體。溫度的因素。當(dāng)溫度不斷固體表現(xiàn)出流動(dòng)的性質(zhì)，除了外力作用時(shí)間的因素外，還有 升高時(shí)，大部分物體都會(huì)要流變，表現(xiàn)出流體的性質(zhì)。金屬由應(yīng)力引起的應(yīng)變隨時(shí)間變化的流動(dòng)現(xiàn)象，稱(chēng)為蠕變.通 常，升高溫度或增加應(yīng)力會(huì)使蠕變加快并縮短達(dá)到斷裂的時(shí)間.金屬材料在恒拉應(yīng)力作用下，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間 ' 以后發(fā)生斷裂的現(xiàn) 象，稱(chēng)作蠕受斷裂，在土木工程中，土地基的硫變可延續(xù)數(shù)十年之 久。地下隧道竣工數(shù)十年之后，仍可出現(xiàn)蠕變斷裂。固悻材料的蠕 變是

11、流變學(xué)研究的重要課題。，現(xiàn)代工業(yè)需要耐高溫、耐蠕變的高質(zhì)量的金屬、合金、陶瓷和高強(qiáng)度的聚合物，因此 與固體蠕變斷裂有關(guān)的流變學(xué)分支會(huì)迅速發(fā)展起來(lái)。核工業(yè)中核反應(yīng)堆和粒子加速器的發(fā)展，也為研究 幅射產(chǎn)生的流變 打開(kāi)了新的領(lǐng)域。在地球科學(xué) 中，人們很早就知道時(shí)間過(guò)程這一重要因素。當(dāng)觀察 地質(zhì)斷面 時(shí)，可以看 到巖石有 皺紋的褶曲結(jié)構(gòu)，這是巖石在流動(dòng)的證據(jù)。 在幾億年的地質(zhì)年代里， 巖層受著 橫向 的力而流變成褶曲形狀。在江西廬山蘆林橋附近，有一處“第四紀(jì)冰川遺跡”，己立碑成為向旅游者展示巖石也在流動(dòng)的景點(diǎn)。有人曾測(cè)量計(jì)算過(guò)冰川的黏性，大約是混凝土的100萬(wàn)倍；而混凝土的黏性，大約是水的100億倍。

12、可見(jiàn)無(wú)論冰川是多么 “黏”，多么難于流動(dòng)， 經(jīng)過(guò)了幾千年、幾萬(wàn)年，終究還是在慢慢地向下流動(dòng)著。流變學(xué)為研究上地殼中有趣的地球 物理現(xiàn)象（如冰川期以后的上升、層狀巖層的褶皺、造山作用、地震成因以及成礦作用 等） 提供了物理-數(shù)學(xué)工具。對(duì)于地球內(nèi)部的過(guò)程，如巖漿活動(dòng)、地幔熱對(duì)流 等，也可利用高溫、 高壓巖石流變?cè)囼?yàn)來(lái)模擬，從而推動(dòng)了地球動(dòng)力學(xué)的研究。自然界中整個(gè)地質(zhì)年代里的蠕變，巖石的流動(dòng)尚在繼續(xù)中非牛頓流體一流變學(xué)的研究對(duì)象之二非牛頓流體 是指不滿(mǎn)足牛頓黏性實(shí)驗(yàn)定律的流體，即其剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間不是 線(xiàn)性關(guān)系的流體。非牛頓流體廣泛存在于生活、生產(chǎn)和大自然之中。絕大多數(shù)生物流體都屬于現(xiàn)在所定義

13、的非牛頓流體。人身上血液、淋巴液、囊液等多 種體液，以及像細(xì)胞質(zhì)那樣的“半流體”都屬于非牛頓流體。近幾十年以來(lái)，促使非牛頓流體研究迅速發(fā)展的主要?jiǎng)恿χ唬?是聚合物工業(yè) 的發(fā)展。 絕大多數(shù)聚合物，如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯酰、尼龍 6、PVS賽璐珞、滌綸、橡膠溶 液、各種工程塑料、化纖的熔體、溶液等，都是非牛頓流體。石油、泥漿、水煤漿、陶瓷漿、紙漿、磁漿、油漆、油墨、牙膏、泡沫、液晶、泥石 流、地幔、家蠶絲再生溶液、鉆井用的洗井液和完井液 、感光材料的涂液、高含沙水流等都 是非牛頓流體。在食品工業(yè)中，蛋清、煉乳、瓊脂、果醬、醬油、土豆?jié){、番茄汁、淀粉液、蘋(píng)果漿、 濃菜湯、糖稀、熔化巧克力、面團(tuán)

14、、米粉團(tuán)以及魚(yú)糜、肉糜等各種糜狀食品物料 ，也都是非 牛頓流體?？傊?，在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中常遇到的各種 高分子溶液、熔體、膏體、凝膠、交聯(lián) 體系、懸浮體系等復(fù)雜性質(zhì)的流體， 差不多都是非牛頓流體。 有時(shí)為了工業(yè)生產(chǎn)的目的， 在 某種牛頓流體中，加入一些聚合物，在改進(jìn)其性能的同時(shí)，也將其變成為非牛頓流體，如為提高石油產(chǎn)量使用的 壓裂液、新型潤(rùn)滑劑等?，F(xiàn)在也有人將血液、果漿、蛋清、奶油等這些非常黏稠的流體，牙膏、石油、泥漿、軟物質(zhì)。油漆、各種聚合物（聚乙烯、尼龍、滌綸、橡膠等）溶液等非牛頓流體，稱(chēng)為非牛頓流體有許多奇妙的特性，如射流脹大、無(wú)管虹吸、剪切變稀、拔絲、湍流減阻 等，其中有一個(gè)使人感興

15、趣的特性，就是部分非牛頓流體具有彈性，亦稱(chēng)為黏彈性流體。當(dāng)旋轉(zhuǎn)桿插入黏彈性流體時(shí)，流體將沿桿向上爬，液面呈凸形。中國(guó)的流變學(xué)研究中國(guó)最早從事流變學(xué)研究工作的可能是地質(zhì)力學(xué)家。第一本翻譯成中文的流變學(xué)書(shū)籍 ， 是雷納的理論流變學(xué)講義 ，是由中國(guó)科學(xué)院巖體土力學(xué)研究所的 6位研究人員于1965 年合譯出版的。1978年制定全國(guó)力學(xué)發(fā)展規(guī)劃時(shí)，認(rèn)為流變學(xué)是必須重視和加強(qiáng)的薄弱領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)流變會(huì)議1985年中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)與中國(guó)化學(xué)會(huì)聯(lián)合成立了流變學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)，并在湖南長(zhǎng)沙召開(kāi)了第一屆全國(guó)流變學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議 。經(jīng)中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)批準(zhǔn)，中國(guó)流變學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)對(duì)外稱(chēng)為“中國(guó)流變學(xué)會(huì)”，第一屆的主任委員 是北京大學(xué)教授

16、、 英藉華人科學(xué)家 陳文芳。第一屆全 國(guó)流變學(xué)會(huì)議有來(lái)自高等院校、研究和生產(chǎn)部門(mén)的178位代表參加，提交了 125篇研究論文。會(huì)后由學(xué)術(shù)期刊出版社出版了流變學(xué)進(jìn)展一中國(guó)化學(xué)會(huì)、中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)第一屆全國(guó)流變學(xué)會(huì)議論文集，收入115篇論文，按內(nèi)容分別列為專(zhuān)題評(píng)論、 非牛頓流體力學(xué)、聚合物熔體、 聚合物溶液、黏彈性和固體力學(xué)、分散體系、生物醫(yī)學(xué)物質(zhì)、聚合物加工、流變測(cè)量法等9章，反映了當(dāng)時(shí)中國(guó)流變學(xué)研究的狀況。1987年在成都召開(kāi)了第二屆全國(guó)流變學(xué)會(huì)議，并開(kāi)始使用中國(guó)流變學(xué)會(huì)的 會(huì)徽。1990年在上海，1993年在廣州，1996年在北京，1999年在武漢，2002年在廊坊，20 06年在濟(jì)南，2008

17、年在長(zhǎng)沙，分別召開(kāi)了第3至9屆全國(guó)流變學(xué)會(huì)議，每屆會(huì)議均正式出 版了會(huì)議論文集。1995年在上海、1997年在西安、2000年在合肥召開(kāi)的電-磁流變學(xué)全國(guó)會(huì)議國(guó)內(nèi)召開(kāi)的國(guó)際流變會(huì)議1991 年 10月 , 在 北京 還召開(kāi)了“中日國(guó)際流變學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議 ”。1997年9月，受?chē)?guó)際理論與應(yīng)用力學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUTAM委托，在 北京召開(kāi)了 “帶缺陷物 體流變學(xué)科學(xué)研討會(huì) ”。2005 年 , 在 上海 召開(kāi)了 第四屆泛太平洋地區(qū)國(guó)際流變學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議（PRCR）4 。這三次國(guó)際會(huì)議也都出版了論文集。從這段流變學(xué)產(chǎn)生的簡(jiǎn)史可以看出，流變學(xué)從一開(kāi)始就是由于工程實(shí)際的需要，從連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和 膠體化學(xué)的邊緣上生長(zhǎng)出來(lái)

18、的新興交叉學(xué)科， 它不但從一開(kāi)始就溝通了力學(xué)和化學(xué) 這兩個(gè)一級(jí)學(xué)科，而且在力學(xué)中也溝通了流體力學(xué)和固體力學(xué)這兩個(gè)二級(jí)學(xué)科。流變學(xué)是溝通流體力學(xué)和固體力學(xué)的學(xué)科反映物質(zhì)或材料物理性質(zhì)之間的關(guān)系式，統(tǒng)稱(chēng)為 本構(gòu)方程 （或本構(gòu)關(guān)系或狀態(tài)方程）。在 固體力學(xué)中， 本構(gòu)方程一般專(zhuān)指應(yīng)力張量與應(yīng)變張量之間的關(guān)系。在流體力學(xué)中，本構(gòu)方程是指 應(yīng)力張量與應(yīng)變率張量之間的關(guān)系。固體流變學(xué)對(duì)于固體，人們已認(rèn)識(shí)到同時(shí)體現(xiàn)彈性形變和黏性流變的材料，是黏彈性材料。材料的黏彈性又可分為線(xiàn)性和非線(xiàn)性?xún)纱箢?lèi)。若材料兼有塑性和黏性的性質(zhì)，則稱(chēng)為 黏塑性材料，對(duì)于聚合物和一定條件下的金屬往往需要考慮其黏塑性。 當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，黏彈性材料呈塑性變形，或物體在彈性變形過(guò)程和塑性階段均具有黏性效應(yīng)，則稱(chēng)這種材料為黏彈塑性材料 。 許多作者己在研究工作中討論和使用黏彈性、黏塑性和黏彈塑性的本構(gòu)方程，這實(shí)際上己突破經(jīng)典的固體力學(xué)本構(gòu)關(guān)系，進(jìn)入了固體流變學(xué)的領(lǐng)域。在固體力學(xué)研究中，因要深入研究材料的破壞機(jī)理，還要類(lèi)似流體力學(xué)，對(duì)固體材料考慮應(yīng)變率，研究其動(dòng)力學(xué)過(guò)程。流體流變學(xué)流體力學(xué)的研究?jī)?nèi)容，在20 世紀(jì)中期之后已有了很大的轉(zhuǎn)變。在石油、化工、能源、材料、 生物工程和環(huán)保等領(lǐng)域所遇到的流體，已常是非牛頓流體。由于非牛頓流體涉及許多工