1、第一部分 流變學(xué)基礎(chǔ),第一章 流變學(xué)的基本概念 第一節(jié)高分子液體的奇異流變現(xiàn)象 第二節(jié) 基本概念 1 應(yīng)變 2 應(yīng)力 3 粘度與牛頓定律,第一章 流變學(xué)的基本概念第一節(jié) 高分子液體的奇異流變現(xiàn)象,引入：高分子液體(熔體和溶液)在外力或外力矩作用下，表現(xiàn)出既非胡克彈性體，又非牛頓粘流體的奇異流變性質(zhì)。它們既能流動(dòng)，又有形變，既表現(xiàn)出反常的粘性行為，又表現(xiàn)出有趣的彈性行為。,高分子液體的奇異流變現(xiàn)象,其力學(xué)響應(yīng)十分復(fù)雜，而且這些響應(yīng)還與體系內(nèi)外諸多因素相關(guān)，主要的因素包括高分子材料的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、組分；環(huán)境溫度、壓力及外部作用力的性質(zhì)(剪切力或拉伸力)、大小及作用速率等。下面簡單介紹幾種著名的高分子

2、特征流變現(xiàn)象。,高粘度與“剪切變稀”行為,1、現(xiàn)象：例：牛頓液體（N）：水、甘油；高分子溶液（P）：聚丙烯酰胺的水溶液分別從深淺不同的兩對(duì)管中流出的現(xiàn)象。,圖1 重力作用引起高分子液體剪切變稀現(xiàn)象,2、應(yīng)用： a、在高分子材料成型加工時(shí)，剪切應(yīng)力或剪切速率(轉(zhuǎn)速或線速度)的不同，材料粘度往往會(huì)發(fā)生13個(gè)數(shù)量級(jí)的大幅度變化，是加工工藝中需要十分關(guān)注的問題。千萬不要將材料的靜止粘度與加工中的流動(dòng)粘度混為一談。 b、容易充模成型，節(jié)省能耗，減少機(jī)器磨損， c、粘度的變化還與熔體內(nèi)分子取向有關(guān)，將最終影響制品的外觀和內(nèi)在質(zhì)量。,3、剪切變稠。有一些高分子液體，如高濃度的聚氯乙烯塑料溶膠，在流動(dòng)過程中表

3、現(xiàn)出粘度隨剪切速率增大而升高的反?，F(xiàn)象，稱“剪切變稠”效應(yīng)。通常把具有“剪切變稀”效應(yīng)的流體稱為“假塑性流體”，把具有“剪切變稠”效應(yīng)的流體稱為“脹塑性流體”。,Weissenberg效應(yīng),1、“爬桿”現(xiàn)象。這種現(xiàn)象稱Weissenberg效應(yīng)，又稱“包軸”現(xiàn)象。,圖2高分子液體的“爬桿”效應(yīng),2、應(yīng)用：圓盤擠出機(jī),圖3圓盤擠出機(jī)示意圖,3、優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，性能穩(wěn)定，用作橡膠加工的螺桿擠出機(jī)的喂料裝置，可提高混合效果和改善擠出穩(wěn)定性。,擠出脹大現(xiàn)象,1、現(xiàn)象：是指高分子熔體被強(qiáng)迫擠出口模時(shí)，擠出物尺寸d大于口模尺寸D，截面形狀也發(fā)生變化的現(xiàn)象。,圖4擠出脹大效應(yīng)示意圖,2 原因：高分

4、子熔體具有彈性記憶能力所致。熔體在進(jìn)人口模時(shí)，受到強(qiáng)烈的拉伸和剪切形變，其中拉伸形變屬彈性形變。這些形變?cè)诳谀Ｖ兄挥胁糠值玫剿沙?，剩余部分在擠出口模后發(fā)生彈性回復(fù)，出現(xiàn)擠出脹大現(xiàn)象。,3、消除辦法：當(dāng)擠出溫度升高，或擠出速度下降，或體系中加人填料而導(dǎo)致高分子熔體彈性形變減小時(shí)，擠出脹大現(xiàn)象明顯減輕。,不穩(wěn)定流動(dòng)和熔體破裂現(xiàn)象,1、現(xiàn)象：擠出物表面粗糙。隨著擠出速度的增大，可能分別出現(xiàn)波浪形、鯊魚皮形、竹節(jié)形、螺旋形畸變，最后導(dǎo)致完全無規(guī)則的擠出物斷裂，稱之為熔體破裂現(xiàn)象。,圖5不穩(wěn)定流動(dòng)的擠出物外觀示意圖,2、實(shí)質(zhì)：高分子熔體彈性行為的典型表現(xiàn)。,不穩(wěn)定流動(dòng)和熔體破裂現(xiàn)象,無管虹吸，拉伸流動(dòng)和

5、可紡性,1、現(xiàn)象：對(duì)牛頓型流體，已知當(dāng)虹吸管提高到離開液面時(shí)，虹吸現(xiàn)象立即終止。 對(duì)高分子液體，如聚異丁烯的汽油溶液或聚醣在水中的微凝膠體系，當(dāng)虹吸管升離液面后，杯中的液體仍能源源不斷地從虹吸管流出，這種現(xiàn)象稱無管虹吸效應(yīng)。,圖6無管虹吸效應(yīng),2、原因：與高分子液體的彈性行為有關(guān)，這種液體的彈性性質(zhì)使之容易產(chǎn)生拉伸流動(dòng)，而且拉伸液體的自由表面相當(dāng)穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)表明，高分子濃溶液和熔體都具有這種性質(zhì)，因而能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的連續(xù)拉伸形變，具有良好的紡絲和成膜能力。,孔壓誤差和彎流壓差,1、現(xiàn)象：測(cè)量流體內(nèi)壓力時(shí)，若壓力傳感器端面安裝得低于流道壁面，形成凹槽，則測(cè)得的高分子液體的內(nèi)壓力將低于壓力傳感器端面與

6、流道壁面相平時(shí)測(cè)得的壓力，如圖7中有PhP，這種壓力測(cè)量誤差稱孔壓誤差。,牛頓型流體不存在孔壓誤差，無論壓力傳感器端面安裝得與流道壁面是否相平，測(cè)得的壓力值相等。高分子液體有孔壓誤差現(xiàn)象。,2原因：在凹槽附近，流線發(fā)生彎曲，但法向應(yīng)力差效應(yīng)有使流線伸直的作用，于是產(chǎn)生背向凹槽的力，使凹置的壓力傳感器測(cè)得的液體內(nèi)壓力值小于平置時(shí)測(cè)得的值。在實(shí)施流變測(cè)量時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意這一效應(yīng)。同樣地，當(dāng)高分子液體流經(jīng)一個(gè)彎形流道時(shí)，液體對(duì)流道內(nèi)側(cè)壁和外側(cè)壁的壓力，也會(huì)因法向應(yīng)力差效應(yīng)而產(chǎn)生差異。通常內(nèi)側(cè)壁所受的壓力較大。,圖7孔壓誤差,湍流減阻效應(yīng),1、定義：湍流減阻效應(yīng)指在高速的管道湍流中，若加入少許高分子物質(zhì)，

7、如聚氧化乙烯(PEOX)、聚丙烯酰胺(PAAm)等，則管道阻力將大為減小的現(xiàn)象，又稱Toms效應(yīng)。,2、原因：湍流減阻的機(jī)理目前尚不完全清楚，但肯定與高分子長鏈柔性分子的拉伸特性有關(guān)。具有彈性的大分子鏈的取向改變管流內(nèi)部的湍流結(jié)構(gòu)，使流動(dòng)阻力大大減小。 3、應(yīng)用：管流減阻在石油開采、輸運(yùn)、抽水灌溉、循環(huán)水系統(tǒng)等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要意義。,觸變性和震凝性,觸變性和震凝性指在等溫條件下，某些液體的流動(dòng)粘度隨外力作用時(shí)間的長短發(fā)生變化的性質(zhì)。粘度變小的稱觸變性，變大的稱震凝性，或稱反觸變性。一般來說，流體粘度的變化同體系內(nèi)的化學(xué)、物理結(jié)構(gòu)的變化相關(guān)，因此發(fā)生觸變效應(yīng)時(shí)，可以認(rèn)為液體內(nèi)部有某種結(jié)構(gòu)遭到

8、破壞，或者認(rèn)為在外力作用下體系內(nèi)某種結(jié)構(gòu)的破壞速率大于其恢復(fù)速率。而發(fā)生震凝效應(yīng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)有某種新結(jié)構(gòu)形成。,圖8 與流變時(shí)間相關(guān)的非牛頓流體的流變圖,第二節(jié) 基本概念,變形,應(yīng)力應(yīng)變,流動(dòng),應(yīng)力應(yīng)變速率,定義應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變速率,注意： 實(shí)際材料發(fā)生的變形和受力情況是復(fù)雜的，要找出其應(yīng)力應(yīng)變之間的關(guān)系十分困難。因此，在流變學(xué)中采用一些理想化的實(shí)驗(yàn)簡單實(shí)驗(yàn)。,引入：,簡單實(shí)驗(yàn)（Simple experiment）,簡單實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)： 材料是均勻的，各向同性的，而材料被施加的應(yīng)力及發(fā)生的應(yīng)變也是均勻和各向同性的。 簡單實(shí)驗(yàn)： 各向同性的壓縮與膨脹，拉伸和單向壓縮，簡單剪切和簡單剪切流動(dòng),1 應(yīng)變（St

9、rain）,1.1 各向同性的壓縮和膨脹 1.2 拉伸和單向壓縮 1.3 簡單剪切和簡單剪切流動(dòng),1.1 各向同性的壓縮和膨脹,在各向同性膨脹中，任何形狀的試樣都變?yōu)閹缀涡螤钕嗨频叽巛^大的試樣,長方體邊長為a， b， c，膨脹后變?yōu)閍， b，c，每條邊增加的倍數(shù)是相同的，即：,應(yīng)變：, 邊長變化量與原始長度比。 0 試樣膨脹； 0 試樣被壓縮,注意： 描述變形的參數(shù)有、V/V,另一種表示變形的方法：用體積變化量V/V V：原始體積； V：體積變化量 由于 1，故 V/V 3,即體積的分?jǐn)?shù)改變V/V是邊長的分?jǐn)?shù)變化的三倍。,1.2 拉伸和單向壓縮,對(duì)于矩形斷面試樣（l, b, c）拉伸后，拉伸

10、方向上l 增加，另兩方向上收縮，邊長變?yōu)閘, b, c,l =l b =b c =c ,應(yīng)變?yōu)殚L度的分?jǐn)?shù)增量， 為側(cè)邊長的分?jǐn)?shù)減量,圖1.2 拉伸實(shí)驗(yàn),拉伸時(shí)， ， ； ， 壓縮時(shí)， ， ； ， 即長度縮短，截面增大。,體積的分?jǐn)?shù)變化為：,由于 1， ，故,1.3 簡單剪切和簡單剪切流動(dòng),簡單剪切實(shí)驗(yàn)中，頂面相對(duì)于底面發(fā)生了位移，而高度 l 不變。AB與原來AB構(gòu)成角。形變 ：,剪切應(yīng)變,簡單剪切和簡單剪切流動(dòng),簡單剪切流動(dòng)：即流體內(nèi)任一坐標(biāo)為y的流體運(yùn)動(dòng)的速率正比于其坐標(biāo)y。,其中,2 應(yīng)力（Stress）,2.1 應(yīng)力定義 2.2 應(yīng)力的分量表示法和應(yīng)力張量 2.3 簡單實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)力張量,

11、2.1 應(yīng)力定義,應(yīng)力（t）：單位面積上所受的力。（力的強(qiáng)度） t = d f / d s d f 為作用在表面上無限小面積d s 上的力。 簡單實(shí)驗(yàn)中，力是均勻的， t = f / s,2.2 應(yīng)力的分量表示法和應(yīng)力張量,流變學(xué)中，應(yīng)力的性質(zhì)包括三個(gè)方面： a 應(yīng)力的大小 b 應(yīng)力的方向 c 應(yīng)力作用在材料的哪個(gè)表面上 采用應(yīng)力的分量表示法 兩個(gè)下標(biāo)：第一個(gè)下標(biāo)表示該應(yīng)力的作用面， 第二個(gè)下標(biāo)表示應(yīng)力的方向。,應(yīng)力的法向分量 作用力的方向與作用面 垂直（兩個(gè)下標(biāo)相同）,切向分量 作用力的方向與作用面 平行（兩個(gè)下標(biāo)不同如 tyx：x方向應(yīng)力作用在y 面上）,直角坐標(biāo)系中，要完整描述材料的受力

12、情況，只需了解三個(gè)面上的應(yīng)力分量： tx =txx, txy, txz ty =tyx, tyy, tyz tz =tzx, tzy, tzz 用一個(gè)數(shù)組表示這三個(gè)面上的應(yīng)力矢量 此數(shù)組稱為笛卡爾坐標(biāo)系的應(yīng)力張量,應(yīng)力張量描述了材料的受力狀態(tài)，采用不同的坐標(biāo)系，所得到應(yīng)力張量的分量是不同的。 采用柱面坐標(biāo)，應(yīng)力張量為 其中，z面為與z軸垂直的平面，r面為圓柱面，面則為通過原點(diǎn)和z軸的面。,切向分量互等定律,2.3 簡單實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)力張量,拉伸實(shí)驗(yàn) 各向同性的壓縮 簡單剪切,拉伸實(shí)驗(yàn),拉伸實(shí)驗(yàn)中，在矩形斷面試樣的端面上施加垂直端面的力f, 采用笛卡爾坐標(biāo)，該應(yīng)力： txx =f / A 且 其應(yīng)力張量,各向同性的壓縮,各向同性：如果應(yīng)力矢量 t 在任何方向上總是與分隔面垂直，而且在某給定點(diǎn)上的大小與分隔面方向無關(guān)，則說它是各向同性的。,即：txx=tyy=tzz=p 式中，p為壓力，其他切應(yīng)力分量均為零。 應(yīng)力張量為,簡單剪切,簡單剪切實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)力與作用面平行。力f是作用在y面上，方向?yàn)閤方向。該應(yīng)力分量為： tyx = f / A,物體x面上的應(yīng)力分量： tx =0, txy , 0 y面上的應(yīng)力分量： ty = tyx , 0, 0,應(yīng)力張量：,3 粘度與牛頓定律,簡單剪切流動(dòng),非簡單剪切流動(dòng),剪切速率,速率梯度,流動(dòng)阻力