课程编号：0301106
高分子材料流变学
Polymer Rheology
总学时：32
总学分：2
课程性质：专业基础课
开设学期及周学时分配：第六学期，4或3学时/周
适用专业及层次：高分子材料专业，本科
相关课程：物理化学、高分子物理、橡胶工艺学、聚合反应工程学、塑料成型工艺学
教材：《高分子材料流变学》，吴其晔编著，高等教育出版社，2002年
推荐参考书：《聚合物加工流变学》，C. D. Han著，徐僖、吴大诚译，科学出版社，1985年
一、课程目的及要求
《高分子材料流变学》是高分子材料与工程专业本科生的必修课，课程设置的目的是：
1. 使学生对高分子材料加工过程的基本原理，主要包括高分子材料在成型加工过程中的基本流变学原理有比较全面的认识。
结合高分子物理学、材料加工工艺学、加工机械及模具设计，理解高分子材料的流变性质与材料的结构、性能、制品配方、加工工艺条件、加工机械及模具的设计和应用之间的关系。
2. 掌握高分子材料的基本流变学性质；了解研究高分子材料流变性质的基本数学、力学方法；掌握测量、研究高分子材料流变性质、传热性能的基本实验方法和手段。
为进一步学习《聚合反应工程学》、《材料成型加工工艺学》、《材料成型加工机械》、《模具设计》等课程打下基础。
3. 讨论典型高分子材料成型加工过程的流变学原理，讨论多相聚合物体系（复合材料）的流变性质，为分析和改进生产工艺、指导配方设计、开发和应用高分子材料提供一定的理论基础。
本大纲遵循基本理论与生产实践相结合，既有一定广度，又有一定深度、新度，材料宏观性质与微观结构分析相结合，唯象性讨论与建立数学模型相结合的特点，按照少而精的原则，设置了七章二十节内容，教学时数为32学时。
二、课程内容及学时分配
（一）课程内容
第一章绪论
§1-1 流变学概念
§1-2 高分子流变学研究的内容和意义
§1-3 高分子液体的奇异流变现象
高粘度与剪切变稀；Weissenberg效应；挤出胀大现象；不稳定流动和熔体破裂现象§1-4 高聚物粘流态特征和流动机理
粘流态特征；流动单元；流动机理，简介“高分子构象改变理论”及“力化学流动图象”
参考书：《高分子材料流变学》第一章，第1，2，3，4节
第二章基本物理量和高分子液体的基本流变性质
§2-1 粘度与法向应力差函数
形变（剪切形变、拉伸形变）；
形变率和速度梯度（剪切速率、拉伸速率）；
应力（切向应力、法向应力、法向应力差）；
剪切粘度（零剪切粘度、表观粘度、无穷剪切粘度）；
法向应力差函数（第一、二法向应力差函数）；
拉伸粘度
参考书：《高分子材料流变学》第二章，第3节
§2-2 非牛顿型流体的分类
Bingham塑性体（屈服应力）；
假塑性流体（牛顿流动区、剪切变稀区、幂律定律、第二牛顿流动区）；
胀塑性流体（剪切变稠性）；
触变体和震凝体
参考书：《高分子材料流变学》第二章，第4节；第一章，第3.9节
第三章关于高分子液体粘弹性的讨论
§3-1 关于剪切粘度的深入讨论
温度的影响
Arrhenius方程；粘流活化能；W-L-F方程
剪切应力和剪切速度的影响
流变曲线的特点；
流变曲线的时温叠加性
超分子结构参数的影响
平均分子量的影响（Fox-Flory公式；分子链缠结对流变性的影响）；
分子量分布的影响；
长链支化的影响
配合剂的影响
填充补强剂的影响（炭黑、碳酸钙）；
软化剂、增塑剂的影响
参考书：《高分子材料流变学》第二章，第5节；第四章，第4节
§3-2 关于“剪切变稀”及“液体弹性”的说明
高分子构象改变说
参考书：《高分子材料流变学》第二章，第6节
§3-3 高分子液体的弹性效应
挤出胀大效应
熔体破裂现象
高分子液体弹性效应的定量描述
法向应力差函数；可恢复剪切形变；挤出胀大比与出口压力降
参考书：《高分子材料流变学》第二章，第7节；第六章，第2.4节；第九章，第1节第四章流变学基础方程及应用
§4-1 连续性方程简介
质量守恒定律、连续性方程的物理意义
§4-2 运动方程简介
动量守恒定律、运动方程的物理意义；Navier-Stokes方程
§4-3 能量方程简介
能量守恒定律、能量方程的物理意义
§4-4 应用举例
§4-5 高聚物流变本构方程简介
参考书：《高分子材料流变学》第五章，第1234节；第三章，第1节
第五章剪切粘度的测量方法
§5-1 流变测量的目的、意义
测粘仪器的种类
§5-2 落球式粘度计的测量原理
§5-3 毛细管流变仪原理及数据处理
完全发展区的流动分析，剪应力和剪切速率的计算，Rabinowitch修正，粘度的测量；入口区的流动分析，入口压力校正（Bagley校正）
§5-4 转子式流变仪简介
§5-5 Brabender-Haake转矩流变仪简介
§5-6 动态粘度的测量
储能模量、损耗模量、复数模量、动态粘度、复数粘度、损耗因子
参考书：《高分子材料流变学》第六章，第1，2，3，4，5节
第六章高聚物典型加工过程的流变分析
§6-1 混炼工艺、压延工艺的流变分析
§6-2 挤出成型过程的流变分析
§6-3 注射成型过程的流变分析
参考书：《高分子材料流变学》第七章，第1，2节；第八章，第1节
第七章高分子基多相体系的加工流变行为
§7-1 多相共聚-共混体系的流变行为
高分子-高分子共混原则；高分子共混体系的形态；多相共混体系粘性行为的特点；多相共混体系弹性行为的特点
§7-2 高聚物填充体系的流变行为
填充体系的屈服现象；填充体系的粘性行为；填充体系的弹性行为
三、教学重点与难点
第一、二、三章：
1. 前三章为本课程学习的重点和基础。
2. 要求掌握流变学研究中的基本物理量及基本流变函数。
理解高聚物液体的流动机理，理解高聚物液体流动时发生剪切变稀、挤出胀大、熔体破裂等奇异流变现象。
能用“高分子构象改变理论”说明其奇异粘弹性。
3. 了解非牛顿流体的类别和流动特点。
4. 掌握各类条件和参数对高聚物液体剪切粘度的影响规律，包括：加工条件（温度、
压力、剪切速率、剪切应力），分子结构参数（分子量、分子量分布、长链支化程度），配方参数（填充－增强剂、软化－增塑剂）。
5. 理解高分子液体流动中的弹性效应及影响液体弹性的因素。
第四章：
1. 流变学基础方程，特别本构方程是流变学研究的中心课题，但由于需要较多数学准备知识，对材料类专业本科生不宜提出过高要求。
主要使学生了解本构方程基本概念及建立高聚物液体流变本构方程基本方法，对力学模型和分子模型理论有初步的认识。
2. 掌握幂率方程。
3. 了解定量研究高聚物流变性质的数学、力学方法；了解连续性方程，运动方程及能量方程的物理意义。
4. 了解平行板之间的拖曳流及圆柱形流道中压力流的流场分析。
第五章：
1. 熟悉和理解测量聚合物熔体、溶液剪切粘度的几种方法及原理，尤其对高压毛细管流变仪的测量原理、数据处理方法（Rabinowitch修正，Bagley修正）、测量结果分析等有较好的理解。
2. 了解高分子材料的动态粘弹性，了解测量动态粘弹性质的方法。
第六章：
1. 本章选择具有代表性的挤出加工过程，混炼加工过程，压延成型过程及注射成型过程，讨论流变学分析在研究加工原理中的作用，不同专业也可视教学对象的不同及学时的宽松加以节选及增删。
2. 理解各加工过程的流变学分析方法及结论，理解这些结论的物理意义。
3. 讲解的重点放在牛顿流体的等温流动过程上，求解过程尽管简化，侧重流场的分析及结果的讨论，并恰当地推广到非牛顿流体的情形。
第七章：
1. 在丰富的多相高聚物弹性流变性质研究中，本章选择两相高聚物共混体系及填充高聚物体系加以介绍，介绍的目的是使学生了解在对新高分子复合材料进行开发中，流变性质的意义。
2. 理解多相高聚物体系的粘弹行为及其他特殊性质。
3. 以流变性－形态结构－力学性能为中心线索，让学生进一步理解复合材料的微观、亚微观结构与宏观性质之间的联系。
四、主要教学方法
课堂讲授
五、典型作业练习
每一章结束后布置书面作业
六、课程考核方式
笔试，闭卷。