流变学简介.
冻土流变学
冻土流变学1. 简介冻土流变学是研究冻土在应力作用下的变形和流动特性的学科。
冻土是指在低温环境下，土壤或岩石中的水分凝结成冰的现象。
冻土广泛存在于寒冷地区，如北极、南极、高山地区等，对于工程建设和环境保护具有重要的影响。
冻土流变学主要关注以下几个方面的内容：•冻土的物理性质：包括冻土的温度、含水量、孔隙度等基本特性，对冻土流变性的研究提供基础数据。
•冻土的应力变形特性：研究冻土在外界应力作用下的变形规律，如冻土的压缩、蠕变、剪切等性质。
•冻土的流动行为：研究冻土在应力作用下的流动特性，如冻土的粘滞流动、塑性流动等行为。
•冻土的破坏机理：研究冻土在应力超过其强度极限时的破坏机制，如冻土的断裂、剪切破坏等。
2. 冻土的物理性质冻土的物理性质对于冻土流变学的研究具有重要的意义。
冻土的物理性质主要包括以下几个方面：•温度：冻土的温度是冻土流变性的重要影响因素。
随着温度的降低，冻土中的水分逐渐凝结成冰，冻土的强度和刚性增加。
•含水量：冻土中的水分含量对冻土的流变性产生显著影响。
含水量越高，冻土的流变性越显著。
•孔隙度：冻土中的孔隙度对冻土的流变性有重要影响。
孔隙度越大，冻土的流变性越明显。
3. 冻土的应力变形特性冻土在外界应力作用下会发生变形，其应力变形特性是冻土流变学的核心内容之一。
冻土的应力变形特性主要包括以下几个方面：•压缩性：冻土在受到垂直应力时会发生压缩变形。
冻土的压缩性取决于其孔隙度、含水量等因素。
•蠕变性：冻土在长时间作用下会发生蠕变变形。
蠕变是冻土流变性的一种重要表现形式。
•剪切性：冻土在受到剪切应力时会发生剪切变形。
冻土的剪切性与其物理性质密切相关。
4. 冻土的流动行为冻土在应力作用下会发生流动，其流动行为是冻土流变学的重要内容之一。
冻土的流动行为主要包括以下几个方面：•粘滞流动：冻土在受到外界应力时会表现出粘滞性，即冻土的流动速度与应力大小成正比。
•塑性流动：冻土在受到外界应力时会表现出塑性性，即冻土会发生塑性变形，形成塑性流动。
流变学及其应用
产品 在外力或变形下使用 性能
流变学是高分子学科的基础 流变学是实验和实践 科学
Newton、Einstein与流变学Rheology
流变学使生活更有趣
在我们日常的生活中，通常用“软、硬、刚性、柔性、 弹性、稠、薄、灵活性… …”来描述事物。流变学就 是研究“软与硬”的科学。 流变学应用领域：化妆品、洗涤用品、牙膏、食品、陶 瓷浆料、轮胎… … 日常生活中不自觉地用到一些“流变”实验－手感。
化妆品相关 从瓶中倒出(Pouring from a bottle) 挤牙膏(Extrusion of toothpaste from a tube) 擦护手霜(application of hand lotions/creams) 涂口红，指甲油(Applying lipstick, nail polish) 10e4 喷雾(Spraying aerosols) 粘合 (Tack) 键合(Press Bonding) 脱粘(Peeling) 自动脱粘(Auto-debonding) 粘合过程
F:施力
常用材料(一般材料)的行为描述
t应力 : F/A g粘弹性体 - 部分回復˙部份变形 应变 : Dx/H Dx:移动距离 ˙ F:施力 A:施力面積 g应变率 : dg/dt = V/H H:高度 G模量 H粘度 : t/g － 部分回复 : t/˙g － 部分变形
如何描述其行為...
tand
低 高
温度 频率
高 低
时间和温度的影响可互换
Steady Log G’, G” Log G(t) G(t)
Dynamic Log G’, G” G’ G”
Temperature
Dynamic G’
非牛顿流体-中国流变网
流变学简介流变学是一门介于力学、化学、物理与工程科学之间的新兴交叉学科,是物理学的一个分支，它主要研究材料在外界作用(应力、应变、温度、电场、磁场、辐射等)下的变形和流动的科学。
这里所说的材料既包括流体形态，也包括固体形态的物质。
在常温常压下，物质可分为固体、液体和气体三种状态；特殊情况下，还有等离子态和超固态。
气体和液体又合称为流体。
从力学分析的角度，通常认为流体与固体的主要差别，在于它们对于外力的抵抗能力不同。
固体有能力抵抗一定大小的拉力、压力和剪切力。
当外力作用在固体上时，固体将产生一定程度的相应变形。
固体静止时，可以有法向应力和切向应力。
而流体在静止时，则不能承受切向应力，微小的剪切刀将使流体产生连续不断的变形。
只有当剪切力停止作用时，流体的变形方会停止。
流体这种在外力作用下连续不断变形的宏观性质，通常称为流动性。
虎克弹性固体力学一般认为，英国物理学家虎克于1678年首先提出了，在小变形情况下，固体的变形与所受的外力成正比。
这一弹性体变形与应力关系的基本规律，后来称为虎克定律。
牛顿流体力学英国科学家牛顿在1687年最先提出了流体的应力和应变率成正比，后来将此称为牛顿黏性定律，并将符合这一规律的流体称为牛顿流体，其中包括最常见的流体—水和空气，而将不符合这一规律的流体称为非牛顿流体。
上述两定律是在17世纪发表的，但直到19世纪末才由柯西、纳维、斯托克斯等人推广到三维变形和流动，并为科学界广泛接受。
从那以后，虎克弹性固体力学和牛顿流体力学随着它在许多工程分支学科中的应用，而得到巨大的发展。
但是流变学通常并不包括对上述两种情况的研究，流变学要研究更加复杂的材料。
流变学的诞生1928年雷纳应邀从巴勒斯坦到美国访问，与印地安纳州Lafayette学院的宾汉（Bing ham E C 1878～1945）教授一起工作。
宾汉对雷纳说，我（一个化学家）和你（一个土木工程师），一起工作解决共同的问题，随着胶体化学的发展，这种工作方式将会变得很平常，因此需要建立一个物理学科的分支来处理这类问题。
流变学基础及应用
圆筒状转子（Cylinder） not recommended for pastes (air bubbles)
锥板转子（Cone-Plate） 平行板（Parallel-plates）
with dispersions
useful for
only useful for
gels and pastes
particles
Levelling
Extrusion, Injection Moulding
Non-destructive Oscillarory shear
10-3
Mixing
Roll Coating, Spraying
10-1 100 101
102 103
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
104
.
106 log /s-1
DMA Osc. / Rot. rheometer
1 流变学及其发展历史
➢ 什么是流变学？
• 流变学：研究物质流动和变形的科学 • Rheology = the science of deformation and flow of matter
(Society Of Rheology, SOR)
希腊语: rheos = to flow，流动
流动行为
relaxation, PVT, Flow instabilities
rot. rheometer: structural/low shear measurements high-pressure capillary: processing flow behaviour
➢ 聚合物加工过程对应的剪切速率
schematic presentation of a BOSTWICK-constistometer 1 sample container, max. 100 ml 2 gate, to be opened by a spring 3 scaled flow path
高分子流变学基本概念课件
高分子流体的粘弹性
弹性
高分子流体在受到外力作用时发生的形变能够部分恢复。
粘性
高分子流体在受到外力作用时产生的剪切应力。
粘弹性
高分子流体同时具有弹性和粘性，其流变行为受温度、应力和分 子结构的影响。
高分子流体的流动行为
层流与湍流
高分子流体在管中流动时，层流 状态下剪切速率与距离成线性关 系，湍流状态下剪切速率与距离 成非线性关系。
高分子流变学基本概 念课件
目录
CONTENTS
• 高分子流变学简介 • 高分子流体的基本性质 • 高分子流变学的基本理论 • 高分子流变学在工业中的应用 • 高分子流变学的未来发展
01 高分子流变学简介
高分子流变学的定义
总结词
高分子流变学是一门研究高分子材料 流动和变形的学科。
详细描述
高分子流变学主要研究高分子材料在 受到外力作用时发生的流动和变形行 为，以及流动和变形过程中涉及的物 理、化学和力学等现象。
流动曲线
描述剪切速率与剪切应力之间关 系的曲线，分为牛顿区、屈服点 和粘弹性区域。
流动不稳定性
高分子流体在流动过程中可能出 现的各种不稳定性现象，如拉伸 流动、漩涡脱落等。
03 高分子流变学的基本理论
唯象理 论
唯象理论是从宏观角度研究高分子流体的行为，通过实验观察和经验公式 来描述高分子流体的流变性质。
高分子流变学的跨学科研究
01
与物理学的交叉
研究高分子流体的热力学性质和 流动行为，探索高分子链的动力 学过程。
02
与化学的交叉
03
与工程的交叉
研究高分子材料的合成和改性， 探索高分子链的化学结构和反应 机理。
将高分子流变学的理论应用于实 际生产过程中，解决工程实际问 题。
流变学简介
26
Flow Curve -- Starch
Pasting
temperature
27
Flow Curve -- Starch
28
Yield Stress – Slurry with Vane Spindle
For
particle filled or soft-solid samples Constant Shear rate: lower than 1 /s No destroy of sample
14
粘温曲线-ARRHENIUS 分析
100
mPas
10 10 15 20 Temperature
crude oil
25 T
30
35
° C
40
Arrhenius Analysis low T
Arrhenius Analysis high T
15
粘弹性行为 (PIB)
Die swell when flowing out of a capillary
dh const.
6
为什么测定粘度
对粘度数据的正确的解释可以：
降低不合格率 使生产和配方工艺研究的费用最低 确保稳定的产品质量
7
典型剪切率范围:
Process sedimentation surface levelling
Shear Rate (1/s) < 0.000001 to 0,0001 0,001 to 0,1
(high-speed) coating, blade coating
100 000 to 1 mio.
8
流体类型
Newtonian牛顿流体:
血流变临床知识
血流变流变的概念由Binhan在1920年首先提出，指的是在应力的作用下，物体可产生流动与变形。
到1951年，科学家提出研究血液及其有形成分的流动性与形变规律的流变叫血液流变学(hemorheology)。
近年来，发展到从分子水平研究血液成分的流变特性，如红细胞膜中骨架蛋白、膜磷脂对红细胞流变性的影响，血浆分子成分对血浆粘度的影响等，这些属于分子血液流变学(molecullar hemorheology)。
缩写为HR。
一、简介1920年，Binhan首先提出流变的概念，即在应力的作用下，物体可产生流动与变形。
至1948年Copley提出生物流变的概念，即血液、淋巴液其他体液、玻璃体，软组织如血管、肌肉、晶体、甚至骨骼，细胞质等均可发生流变。
到1951年，提出研究血液及其有形成分的流动性与形变规律的流变叫血液流变学(hemorheology)。
这是生物、数学、化学及物理等学科交叉发展的边缘科学，研究全血在各切变率下的表现粘度称为宏观流变学，而研究血液有形成分的流变学特性，如红细胞的变形、聚集、表面电荷等，称为血细胞流变学(cellular hemorheology)。
发展到从分子水平研究血液成分的流变特性，如红细胞膜中骨架蛋白、膜磷脂对红细胞流变性的影响，血浆分子成分对血浆粘度的影响等，这些属于分子血液流变学(molecullar hemorheology)。
缩写为HR。
二、发展史临床血流变学是一门新兴学科，是研究血液流变特性异常在疾病发生发展及诊治中作用的一门科学，是血液流变学一重要分支。
临床血液流变学是随着血液流变学的发展而逐渐发展起来的。
1951年在美国物理学学会第二十五届年会上，Copley教授在报告中首次提出血液流变学的概念，指出血液流变学是在宏观、微观、亚微观水平上的研究血液细胞成份、血浆的变形和充动特性以及血管结构的流变特性。
1958年，在第三届国际流变学会议上，Copley又主持讨论了"血液和血管壁关系"这一专题，促进了血液流变学的发展。
流变学简介粘度牛顿非牛顿流体性质
流变学简介粘度牛顿非牛顿流体性质流变学简介粘度牛顿非牛顿流体性质0004.1流变学的介绍Webster’s Dictionary定义流变学为“材料的流动与形变的研究，其中包含弹性，黏度，和塑性。
”在这章中，我们定义黏度为“流体分子的吸引力所引起的内在摩擦力，此摩擦力会抵抗流体的流动。
”你的Brookfield黏度计测量此摩擦力，然后作为研究流变学的工具。
此章的目的是要使你了解不同形式的流动行为以及使用Brookfield黏度计作为研究流变行为的仪器以帮助你处理任何真实流体的分析。
这项信息对于黏度计的使用者提供相当的帮助，特别是对于以黏度测量作为理论和学术方面探讨的研究者而言。
4.2黏度黏度是测量流体内在摩擦力的所获得的数值。
当某一层流体的移动会受到另一层流体移动的影响时，此摩擦力显得极为重要。
摩擦力愈大，我们就必须施予更大的力量以造成流体的移动，此力量即称为“剪切（shear）”。
剪切发生的条件为当流体发生物理性地移动或分散，如倾倒、散布、喷雾、混合等等。
高黏度的流体比低黏度的材料需要更大的力量才能造成流体的流动。
牛顿以图4-1的模式来定义流体的黏度。
两不同平面但平行的流体，拥有相同的面积“A”，相隔距离“dx”，且以不同流速“V1”和“V2”往相同方向流动，牛顿假设保持此不同流速的力量正比于流体的相对速度或速度梯度，即：F/A ＝ηdv/dx其中η与材料性质有关，我们称为“黏度”。
速度梯度，dv/dx，为测量中间层的相对速度，其描述出液体所受到的剪切，我们将它称为“剪速（shear rate）”，以S表示；其单位为时间倒数（sec-1）。
F/A项代表了单位面积下，剪切所造成的合力，称为“剪力（shear stress）”，以F代表；其单位为“达因每平方厘米（dyne/cm2）”。
使用这些符号，黏度计可以下列数学式定义：η＝黏度＝F/S＝剪力/剪速黏度的基本单位为“泊（poise）”。
我们定义一材料在剪力为1达因每平方厘米、剪速为1 sec-1下的黏度为100 poise。
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流动公式：D=Sn/a
D
剪切力增大，
0 S
粘度下降， 液体变稀
没屈服值；过原点的凹形曲线
在制剂中表现为假塑性流动的剂型有：某些亲 水性链状高分子溶液及微粒分散体系处于絮凝
状态液体。
假塑性流体的结构变化示意图
a =Sn/D 产生原因：大分子或溶胶粒子本身结构是不对称 的，静止时有各种可能的取向，剪切力增大时，不 对称粒子逐渐将长轴转向流动方向排列，减小了对 流动的阻碍，表观粘度随之降低。剪切力越大，粒 子取向作用越完全，体系的表观粘度就越小
（二）假塑性流动（pseudoplastic flow）
假塑性流动的流动曲线随着 S 值的增大，粘 度下降的流动现象称为假塑性流动，其流动公 式如下所示：
D
S
n
a
(n>1)
切稀！越切越稀！
式中ηa ——表观粘度（apparent viscosity ）
如甲基纤维素、西黄蓍胶、海藻酸钠等链状高 分子的1%水溶液表现为假塑性流动，其原因是： 随着S值的增大，这些高分子的长轴按流动方向有 序排列，减少了对流动的阻力。
切力降低——下行线
滞后面积： 上行线和下形线不重合
S
环形曲线
衡量触变性大小的定量指标——滞后面积
D
S
产生触变的原因：对流体施加剪切力后，破坏
了液体内部的网状结构，当剪切力减小时，液 体又重新恢复原有结构，恢复过程所需时间较 长，因而触变流动曲线中上行线和下行线就不 重合
D
S
触变流动的特点：塑性流体、假塑性流体、
一、牛顿流动
D 为剪切速度
S 为剪切应力
曲线的特点：一条通过坐标原点的直线
S=F/A=D =S/ D
即剪切应力S与剪切速度D成正比---牛顿流动定律
—— 粘度或粘度系数，是表示流体粘度的
物理常数，是流变曲线斜率的倒数
单位Pa· s(SI单位)
牛顿流体：服从牛顿流动定律的液体 牛顿流体的特点：
的内力 粘 弹 性 物 质
弹 性：除去外部应力时恢复原状的性质
黏 性：是液体内部所存在的阻碍液体流
动的摩擦力，也称内摩擦力
（二）剪切速度与剪切应力
液体受应力作用变形，即流动， 是不可逆过程。 D为剪切速度(rate of shear), 各液 层的速度不同而产生的速度梯度
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 所需施加的这种力称剪切应力。
二、非牛顿流动
非牛顿流体(nonNewtonian fluid):不符合牛顿流动定律的
液体，如乳剂、混悬剂、高分子溶液、胶体溶液、软膏
以及固－液的不稳定体系等
按非牛顿流体流动的曲线类型可分为塑性流动、假塑性 流动、胀性流动、触变流动
1.塑性流动（plastic flow） 1)曲线不经过原点；
S0（致流值）
S＜S0时，形成向上弯曲的曲线——弹性形变，不流动 S＞S0时，剪切速度D和剪切应力呈直线关系——流动
塑性液体的流动公式：D=(S-S0)/a a ——塑性粘度 在制剂中表现为塑性流动的剂型有：
浓度较高的乳剂、混悬剂、单糖浆、涂剂 S
在其它材料中表现： 油漆、牙膏、泥浆等
塑性流体的结构变化示意图 产生原因：体系中粒子受到范德华力或氢键作 用在静置状态下形成立体网络结构，要使体系 流动，就要破坏这些网状结构。
子间的液层有润滑作用，因而流动阻力小，表观 粘度低。 切力的增加，许多粒子被搅在一起，液层原有的 润滑作用相应减小，流动阻力增大，表观粘度随
之上升。
a=Sn/D
在制剂中表现为胀性流动的剂型为： 含有大量固体微粒的高浓度混悬剂如50%淀粉 混悬剂、糊剂、淀粉、滑石粉等 在其它材料中有： 涂料、颜料等
2)在横轴剪切应力S轴上有一交点(S1)；
3)存在屈服值（S0，引起塑性液体流动的最低剪切应力） 当剪切应力小于屈服值时液体在剪切应力作用下不流 动,而表现为弹性变形; 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；
交点
屈服值： 引起塑性液 体流动的最 低切变应力
4
一切流体的流变性都可以用切变速度 D 与
剪切力S之间的关系曲线来描述，这种关系曲
线称为流变曲线（粘度曲线）。不同流变性
的流体具有不同的流变曲线，根据流变曲线
的不同，流体可以分为以下几种：
一、牛顿流体
二、非牛顿流体
A-牛顿流体； B-塑性流体； C-假塑性流体；D-胀性流体； E-触变性流体.
四、触变流动
触变流动特点：
1)随着剪切应力变大，黏度下降，剪切应力消除 后黏度在等温条件下缓慢地恢复到原来状态， 此现象称为触变性； 2)曲线为环状滞后曲线（施加应力使流体产生流 动，流体的黏度下降，流动性增加，而停止流 动时，并不因应力的减少而立即恢复原状，而 是存在一定的时间差）。
D
切力增加——上行线
①一般为低分子的纯液体或稀溶液
②在一定温度下，牛顿液体的粘度为常数，它只是温度的函数，
随温度升高而减小
牛顿黏度定律：在层流条件下的剪切应力与剪切速度成正比 流动方程：D=S/η 特点：1.它的切变速度与剪切应力之间是通过原点的直线关系； 2.斜率为1/η，所以温度一定时，其黏度η是一个常数， 与D 无关，即黏度只是温度的函数(反比)
（三）胀性流动
胀性流动曲线经过原点， 且随着切变应力的 增大其粘性也随之增大，表现为向上突起的曲 线称为胀性流动曲线（dilatant flow curve）。
切稠！越切越粘！
D
’=Sn/D
剪切力增大，
表观粘度增加，
液体变稠
0
S
没屈服值；过原点的凸形曲线
胀性流体的结构变化示意图
产生原因：静止时粒子排列紧密，但不聚结，粒
胀性流体中多数具有触变性
药剂中很多制剂具有触变性：如油制普鲁卡 因注射液 液体或半固体制剂：糖浆、某些软膏等 其它材料：钻井泥浆、土壤
A-牛顿流体 B-塑性流体 C-假塑性流体 D-胀性流体 E-触变性流体
流变学简介
（一）流变学的概述
流变学：研究物质变形和流动的科学
变形：物质在外力作用下其内部各部分
的形状和体积的变化
变形 弹性变形（elastic deformation） 塑性变形（plastic deformation）
应 力：引起变形的作用力F除以作用面积A
内应力：单位面积上存在的与外力相对抗