流變學(xué)基礎(chǔ)-第一章

1、流 變 學(xué) 基 礎(chǔ),授課學(xué)時(shí)：32學(xué)時(shí)授課對(duì)象：印07-1～5班授課老師：魏先福授課時(shí)間：08-09第二學(xué)期,,重點(diǎn)內(nèi)容：,流變學(xué)涉及的應(yīng)力、變形等穩(wěn)態(tài)流變學(xué)參數(shù)、動(dòng)態(tài)彈性率、動(dòng)態(tài)粘性率等動(dòng)態(tài)流變學(xué)參數(shù)，,掌握各種流動(dòng)曲線的特點(diǎn)、線性粘彈性理論、以及高分子溶液、分散系的流變學(xué)理論及特性。,分析、理解印刷材料、包裝材料在實(shí)際使用過程中的各種與流變學(xué)有關(guān)的現(xiàn)象。,為將來開發(fā)研制新型印刷包裝材料打基礎(chǔ)。同時(shí)為《印刷材料及適性》等后續(xù)課程

2、奠定基礎(chǔ)。,課程介紹,第一章 概 述,流變學(xué)的定義及研究對(duì)象、應(yīng)力與變形、流動(dòng)的種類。,第二章 粘度測(cè)試原理及方法,流體粘度的概念、粘度測(cè)試儀器以及高、低粘度流體的粘度測(cè)試原理與方法、具有觸變性流體的流動(dòng)特征,第三章 線性粘彈性理論,流變學(xué)基礎(chǔ)模型：Maxwell模型、Voigt模型、四元件模型，各種模型的流變學(xué)參數(shù)的本構(gòu)方程。,課程介紹,第四章 高分子溶液的粘彈性,高分子溶液粘彈性函數(shù)、高分子溶液粘彈性模型（Rouse模型、珠

3、簧模型、管狀模型等）的意義及應(yīng)用。,第五章 分散系流變學(xué),分散系的組成、特點(diǎn)；粒子間的相互作用、DLVO理論；分散系的流變學(xué)性質(zhì)；分散系流變學(xué)參數(shù)的測(cè)試方法；印刷油墨流變學(xué)性能參數(shù)實(shí)測(cè)案例。,課程介紹,課程介紹,課程實(shí)驗(yàn)安排,課程介紹,本課程學(xué)習(xí)的必要說明：,1、課程難度大,深厚的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、一定的物理&化學(xué)知識(shí)、靈活運(yùn)用,抽象概念較多、知識(shí)交叉,學(xué)時(shí)較少、無固定教材、參考書目少,2、課堂認(rèn)真聽講、隨時(shí)討論,3、課后認(rèn)真復(fù)習(xí)、及

4、時(shí)消化,課程介紹,要求與安排：,1、不得無故缺課2、保持課堂紀(jì)律3、禁止遲到、早退4、按時(shí)完成作業(yè),考試及成績：,1、開卷考試2、考試成績占70%、平時(shí)成績占30%。3、注意考試資格,課程介紹,參考書：,化工流變學(xué)，江體乾，華東理工大學(xué)出版社粘性流體力學(xué)，章梓雄、董曾南，清華大學(xué)出版社,第一章 概述,一、什么是流變學(xué)（rheology）？二、流變學(xué)發(fā)展歷程三、流變學(xué)研究對(duì)象四、應(yīng)力與變形五、流動(dòng)的種類,第一章 概

5、述,一、什么是流變學(xué)（rheology）？,二、流變學(xué)的發(fā)展歷程,流變學(xué)是力學(xué)的一個(gè)新分支，主要研究材料（物質(zhì)）在應(yīng)力、應(yīng)變、溫度濕度、輻射等條件下與時(shí)間因素有關(guān)的變形和流動(dòng)的規(guī)律。,追溯：BC1500，埃及人發(fā)明的“水鐘”和陶瓷漏斗 高度與流動(dòng)的關(guān)系 16th～18th：Galilieo提出“內(nèi)聚粘性”； Hooke： s～g（彈性固體）

6、 Newton： s ～dg/dt （純粘性流體）,第一章 概述,起源：20世紀(jì)20年代,起因：20世紀(jì)20年代,追溯：19th：Poisealle（泊肅葉）方程；,,Boltzmanm：關(guān)于流體的計(jì)算方法,Maxwell：材料的彈性、粘性雙重性,起因：Hooke彈性定律、Newton粘性定律的局限性,第一章 概述,橡膠、黏土、涂料等材料,膠體化學(xué),力學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)觀點(diǎn),標(biāo)志：1928年12月，“

7、塑性研討會(huì)”，美國 1929年12月，“Rheology”學(xué)會(huì)會(huì)刊創(chuàng)刊,代表性人物：Eugence C. Bingham（美） M.Reiner（以色列）,第一章 概述,流變學(xué)研究發(fā)達(dá)國家： 美國：1929 荷蘭：1932，皇家科學(xué)院（流變學(xué)學(xué)會(huì)）粘度協(xié)會(huì) 1940年代～：以色列

8、、日、瑞典、澳、捷、意、 西班牙、印度、德、法、中國,首屆流變學(xué)國際會(huì)議： 1948年9月，荷蘭,會(huì)員國：24個(gè)（2004）,第一章 概述,我國流變學(xué)的發(fā)展： 成立：1978年 機(jī)構(gòu)：率屬于中國化學(xué)會(huì)、中國力學(xué)學(xué)會(huì)， 對(duì)外：中

9、國流變學(xué)會(huì) 會(huì)議：1985（長沙）、1987（上海）、1993（廣州） 1996（北京）、1999（武漢）、2002 2005（濟(jì)南）、 2008（長沙）,靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)、分析力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、固體力學(xué)、材料力學(xué)、復(fù)合材料力學(xué)、流變學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、爆炸力學(xué)、磁流體力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、

10、理性力學(xué)、物理力學(xué)、天體力學(xué)、生物力學(xué)、計(jì)算力學(xué),三、流變學(xué)的研究對(duì)象,第一章 概述,1、高分子流變學(xué)（polymer rheology）,塑料（包括膠片）、纖維、彈性體(elastomer)等,高分子的溶液或熔融物（兩者合稱為高分子液體）加工成型,流變學(xué)研究對(duì)象的一大領(lǐng)域,,,第一章 概述,2、分散系的流變學(xué)（suspension rheology）,分散系是指兩種或兩種以上互不相容的物質(zhì)的混合體系,液／液體系,固／液體系,懸濁液

11、,乳濁液,,,涂料、油墨 、填充劑、化妝品、陶瓷、水泥等,僅次于高分子體系的另一領(lǐng)域,,第一章 概述,3、生物（體）流變學(xué)（biorheology）,從流變學(xué)的觀點(diǎn)來研究血液、分泌液、皮膚、肌肉、骨頭、血管、眼球等的流動(dòng)與變形，主要探討人（動(dòng)物）的這些組成成分在受到外力作用（外界因素影響時(shí)）的流動(dòng)與變形情況。 近年來，這一領(lǐng)域的研究發(fā)展迅速，學(xué)術(shù)活動(dòng)頻繁，研究成果顯著。國內(nèi)已經(jīng)設(shè)立了相應(yīng)的生物（體）流變學(xué)分會(huì)。,最近，流

12、變學(xué)的研究已經(jīng)滲透到日常生活中。食品、水果、面包、奶酪等已開始成為流變學(xué)的研究對(duì)象。 食物好吃不好吃，主要是由人們的視覺、嗅覺、味覺、等感覺器官而感受到的。如：用牙齒咬時(shí)，食物的軟硬程度、粘不粘牙等現(xiàn)象。這些感官現(xiàn)象可以通過食物/食品的流變學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行表征、評(píng)價(jià)。,4、食品流變學(xué),第一章 概述,5、電流變學(xué),電流變學(xué)是二十世紀(jì)80年代后期開始發(fā)展起來的流變學(xué)的一個(gè)研究分支，其基本思路是，通過給體系施加一個(gè)電場(chǎng)，通過電場(chǎng)

13、的作用改變體系中帶電成分的存在狀態(tài)，從而控制體系的相關(guān)性能指標(biāo)。,6、其他,磁流變學(xué)、土木流變學(xué)等,第一章 概述,四、流變學(xué)的研究方法,1、理論研究,2、應(yīng)用研究,本構(gòu)方程,,n=m 或 n=m-1,各相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用研究,第一章 概述,五、應(yīng)力與變形,1、應(yīng)力,A,F,,Ft,Fn,,,,第一章 概述,snn：法線應(yīng)力 （normal stress）,snt：切線應(yīng)力（剪切應(yīng)力）（shear stress）,,： 拉伸力,,： 壓縮

14、力,使A面的流體沿A面發(fā)生錯(cuò)位的應(yīng)力,第一章 概述,2、變形及種類,拉伸（壓縮）變形,,,（j=1，2，3）,,拉伸應(yīng)力為法向應(yīng)力,表達(dá)式,第一章 概述,應(yīng)力、變形與時(shí)間的關(guān)系,波森比 （poisson’s ratio）m,,（j=2，3）,,大變形時(shí),（j=1，2，3）,各項(xiàng)同性、不可壓縮性物體的波森比為0.5,第一章 概述,剪切變形（shear strain）,,,,剪切應(yīng)力（shear stress）,（a 很小時(shí)）,第一章

15、 概述,體積變形,當(dāng)對(duì)物體施加壓力使其變形時(shí)，若變形前后的體積分別為V0，V，則體積變化量：,體積變形gV為：,,第一章 概述,3、理想彈性變形,對(duì)物體其施加外力時(shí)，該物體瞬間產(chǎn)生變形，當(dāng)除去外力時(shí)，又馬上恢復(fù)到原來的狀況（變形消失），并且，變形和應(yīng)力之間為比例關(guān)系，這種變性稱為理想彈性變形。,特點(diǎn)： 從施加力到物體達(dá)到某一狀態(tài)為止，以及除去作用力后，物體恢復(fù)到原來狀態(tài)為止，變形只是應(yīng)力的函數(shù)，與時(shí)間無關(guān)。,第一章

16、概述,,拉伸變形：,（Hooke’s law）,E：“拉伸彈性率”或“young’s modulus” 滿足Hook’s law的物體叫理想彈性體（胡克固體Hooke’s body）,剪切變形：,,第一章 概述,s~tg~ts~g,第一章 概述,4、流動(dòng)及其形式,純粘性流動(dòng),牛頓流體（Newtonian fluid）： 對(duì)某一物體施加一個(gè)外力（即使是很小的力）物體產(chǎn)生流動(dòng)（變形），除去外力，變形保持一定而不恢復(fù)

17、，具有這種性質(zhì)的流體稱為理想粘性流體，也稱為純粘性流體，或牛頓流體。,第一章 概述,,速度梯度D：,,,切變速率 ：,A,,F,,Newtonian eqution,,第一章 概述,當(dāng)變形為拉伸流動(dòng)變形時(shí)：,,,：拉伸粘度,表示流體流動(dòng)的難易程度。,流動(dòng)度f,,第一章 概述,第一章 概述,非牛頓流動(dòng)（non-Newtonian flow）,牛頓流動(dòng)的流動(dòng)方式特點(diǎn)： （1）流動(dòng)曲線通過原點(diǎn) （2）流動(dòng)曲線為直線非牛頓流體

18、： （1）流動(dòng)曲線通過原點(diǎn)，但不是直線 （2）流動(dòng)曲線雖然是直線，但不通過原點(diǎn) （3）流動(dòng)曲線既不通過原點(diǎn)，又非直線,第一章 概述,塑性流動(dòng)（bingham flow）,本構(gòu)方程,,：塑性粘度（plastic viscosity）,sy：屈服值（yield value）,塑性流動(dòng)特征是賓漢（Bingham）發(fā)現(xiàn)并提出的，因此，理想塑性體被稱為賓漢流體（Bingham body）,,,第一章 概述,準(zhǔn)粘性流動(dòng)（quasi-vis

19、cous flow）,,本構(gòu)方程,常數(shù)a、N為不等于1的常數(shù),N：結(jié)構(gòu)粘性指數(shù),高濃度的高分子溶液及高分子熔融體,第一章 概述,,,：表觀粘度（apparent vicosity）,,微分粘度,第一章 概述,假塑性流動(dòng),,流動(dòng)曲線的特點(diǎn)： 在剪切速率較大的范圍，應(yīng)力與剪切速率表現(xiàn)為近似直線關(guān)系，但在剪切速率較小的范圍，兩者之間為彎曲曲線狀態(tài)，,第一章 概述,流動(dòng)曲線與s軸的交點(diǎn),直線的延長線與s軸的交點(diǎn),存在三種屈服

20、值,sy ：真屈服值(下限屈服值) （屈服值的定義）,流動(dòng)曲線開始呈現(xiàn)近似直線變化的點(diǎn),su ：表觀屈服值,s0 ：賓漢屈服值（Bingham yield value）,第一章 概述,Casson’s equation（Casson方程式）經(jīng)驗(yàn)公式,,,,第一章 概述,MTMO修正公式,松本（Matsumoto），高島（Takashima）松田（Matsuda），小野本（Onogi）,,ha，h0分別為分散介質(zhì)的表觀粘度

21、和零剪切粘度（zero-shear viscosity）,,第一章 概述,其它非牛頓流動(dòng),A：牛頓流體（Newtonian flow）B：準(zhǔn)粘性流體（quasi-viscous flow） 剪切變稀（shear-thinning） C：脹流體 剪切增稠（shear-thickening）D：塑性流體（Bingham flow）E：假塑性流體,,s,……觸變性流體,第一章 概述,1．流變學(xué)的定義？研

22、究對(duì)象？2．什么是應(yīng)力？剪切應(yīng)力？法向應(yīng)力？3．什么是變形？變形的種類？波森比（Poisson’s ratio）？4．證明各向同性物體、發(fā)生變形時(shí)密度與體積保持不變，其Poisson’s ratio為0.5。5．牛頓流體？非牛頓流體？非牛頓流體的種類？6．什么是屈服值？如何測(cè)量或計(jì)算？,思考題,第一章 概述,1．圖1中各條曲線表示哪類流動(dòng)？ 有什么特征？,作業(yè) I,2．某長10cm，截面邊長1cm的長方體，在1

23、00dayn拉力的作用下變成12cm，在150dayn拉力作用下變成13cm，在200dayn拉力作用下變成14cm，拉伸過程保持體積不變。問：1）該物體有何特征，并說明理由？2）作出應(yīng)力與變形關(guān)系的略圖。3）該物體的彈性膜量G為多少？,圖1,第一章 概述,3、假設(shè)某絲網(wǎng)印刷油墨為假塑性分散體系，在1s-1的切變速率下，測(cè)得其粘度為20.25Pa.s，25s-1的切變速率下，測(cè)得其粘度為2.89Pa.s。（1）試求此油墨的屈服值。