郝文涛，合肥工业大学化工学院
4
第一节 流是研究材料的流动和变形的科学， 它是一门介于力学、化学、物理与工程科学 之间的新兴交叉学科（这里说的材料既包括 流体形态，也包括固体形态的物质）。
郝文涛，合肥工业大学化工学院
5
流变学是研究材料的流动和变形的科学
一般情况下，实际材料往往表现出非理想 弹性，亦非理想粘性的力学性质。
如沥青、粘土、橡胶、石油、蛋清、血浆、食 品、化工原材料、泥石流、地壳，尤其是形形 色色高分子材料和制品。 它们既能流动，又能变形；既有粘性，又有弹 性；变形中会发生粘性损耗，流动时又有弹性 记忆效应，粘弹性结合，流变性并存。
郝文涛，合肥工业大学化工学院
6
流变学是研究材料的流动和变形的科学
对于这类材料，仅用牛顿流动定律或虎克 弹性定律已无法全面描述其复杂力学响应 规律，必须发展一门新学科——流变学对 其进行研究。
郝文涛，合肥工业大学化工学院 34
1. 结构流变学
稀溶液粘弹理论发展比较完备。RouseZimm-Lodge等人的贡献。已经能够根据分 子结构参数定量预测溶液的流变性质。 浓厚体系和亚浓体系粘弹理论。de Gennes 和Doi-Edwards的贡献。将多链体系简化为 一条受限制的单链体系，提出蛇行蠕动模 型。 结构流变学进展对高分子凝聚态物理基础 理论的研究具有重要价值。
郝文涛，合肥工业大学化工学院
29
3. 血液流变学
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，目前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)。 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(molecular hemorheology)。 /Article/xlb/200506/755.html
绝大多数的生物流体 高聚物溶液或熔体，油漆 石油、油墨、牙膏 泥浆、泥石流、高含沙水流、地幔 食品工业中的各种物质，番茄汁、淀粉液、蛋清、苹 果浆
郝文涛，合肥工业大学化工学院
22
郝文涛，合肥工业大学化工学院
23
四．流变学的研究内容
1.
本构方程：
流变学研究内容是各种材料的蠕变和应力松 弛的现象、屈服值以及材料的流变模型和本 构方程。 在不同物理条件下(如温度、压力、湿度、辐 射、电磁场等)，以应力、应变和时间的物理 变量来定量描述材料状态的方程，叫作流变 状态方程或本构方程。 材料的流变特性一般可用两种方法来模拟， 即力学模型和物理模型。
郝文涛，合肥工业大学化工学院
27
郝文涛，合肥工业大学化工学院
28
2. 电流变学
电流变技术是指将电流变效应或电流变现象，应用于工程 实践的一项技术。 特殊液体在电场作用和控制下，其粘度在一定剪切速率下 发生明显变化的现象，称为电流变效应。 类似于磁流变技术。 在20世纪40年代就开始研究，80年代开始繁荣。
按地质年代计算，坚硬的地壳也在流动， 地质学中著名的“板块理论”揭示了亿万年 来地球大陆板块的变化和运动。 另一方面，如果以极快的速度瞬间打击某 种液体时，甚至连水都表现了一定的“反弹 性” 。
郝文涛，合肥工业大学化工学院
9
二．流变学产生的简史与发展
1.
流变学的诞生：宾汉（奠基人）与雷诺的故 事。
高分子流变学
郝文涛 合肥工业大学化工学院
致谢
本PPT是建立在诸多优秀教材的基础上的，比如 《聚合物加工流变学基础》（周彦豪）；《高聚 物流变学及其应用》（徐佩弦）；《高分子材料 流变学》（吴其晔）等，在此向各位前辈致敬！ 本PPT在制作过程中曾经参考了许多知名学者的 研究论文。此外，本PPT也借鉴了一些其他高校 的优秀PPT，一并表示感谢！
宾汉 Eugene Cook Bingham 1878~1945，美 国化学家，流变学（Rheology）的奠基人
雷诺是英国著名的工程师，物理学家 和教育家，毕生对水力学和流体力学 的研究做出了重要贡献。
10
郝文涛，合肥工业大学化工学院
流变学的诞生和研究对象
科学网，王振东的博客 /m/user_conte nt.aspx?id=219864
郝文涛，合肥工业大学化工学院 30
第二节 高分子流变学概述
一．定义：
高分子材料流变学——研究高分子液 体，主要指高分子熔体、高分子溶液， 在流动状态下的非线性粘弹行为，以及 这种行为与材料结构及其它物理、化学 性质的关系。
郝文涛，合肥工业大学化工学院
31
二．高分子流变学的发展
聚合物流变学是随高分子材料的合成、加工和应 用的需要，于50年代发展起来的。 在聚合物的聚合阶段，流变学与化学结合在一 起；而在以后的阶段，主要是与聚合物加工相结 合。 聚合物流变学70年代发展较快，在1984年第九届 国际流变学会议上总结了最近的研究成果，B.米 纳等主编了《流变学进展》一书。
郝文涛，合肥工业大学化工学院 16
4. 流变学应用
①
流变学与现代工业
流变学的发展同世界经济发展和工业化进程 密切相关。 现代工业需要耐蠕变、耐高温的高质量金 属、合金、陶瓷和高强度的聚合物等，因此 同固体蠕变、粘弹性和蠕变断裂有关的流变 学迅速发展起来。 核工业中核反应堆和粒子加速器的发展，为 研究由辐射产生的变形打开新的领域。
1）“弹性形变”是指短暂的，能恢复原状的形变； 2）“粘性流动”是指持续的、不能恢复原状的形变。
固体 ≠ 只有弹性形变的物体； 流体 ≠ 只有粘性流动的物体。 实际上，同时具有这两种性质的物体是很多的。
郝文涛，合肥工业大学化工学院
20
郝文涛，合肥工业大学化工学院
21
2. 非牛顿流体：
不符合牛顿粘性定律，粘度不为常数，其剪切应 力与剪切应变速率之间已不是线性关系的流体。
郝文涛，合肥工业大学化工学院 17
② 流变学与地球科学
在地球科学中，人们很早就知道时间过程 这一重要因素。 流变学为研究地壳中极有趣的地球物理现 象提供了物理-数学工具，如冰川期以后的 上升、层状岩层的褶皱、造山作用、地震 成因以及成矿作用等。 对于地球内部过程，如岩浆活动、地幔热 对流等，现在则可利用高温、高压岩石流 变试验来模拟，从而发展了地球动力学。
郝文涛，合肥工业大学化工学院 25
3. 物理模型
力学模型的流变模型没有考虑材料的内部物理特 性，如分子运动、位错运动、裂纹扩张等。 当前对材料质量的要求越来越高，如高强度超韧 性的金属、高强度耐高温的陶瓷、高强度聚合物 等。对它们的研究就必须考虑材料的内部物理特 性，因此发展了高温蠕变理论。 这个理论通过考虑固体晶体内部和晶粒颗粒边界 存在的缺陷对材料流变性能的影响，表达出材料 内部结构的物理常数，亦即材料的物理流变模 型。
郝文涛，合肥工业大学化工学院 15
3. 目前关于流变学的研究十分活跃
流变学研究队伍日趋壮大
日本，美国，中国研究人员都有不同程度增加
流变学学术交流日趋频繁
国际会议不断，各成员国内部会议也很频繁
流变学研究领域日趋广泛
研究成果涉及到“计算流变学”、“流动稳定性”、“泡 沫、乳胶和表面活化剂”、“食品和生物材料流变学”、 “材料加工流变学”、“微结构模型”、“纳米流变学和微 观流体”、“非牛顿流体流变学”、“聚合物熔体”、“聚 合物溶液”、“流变仪器和实验方法”、“固体和复合材 料”、“悬浮体和胶质”、“应用流变学和其他”等分支学 科。
郝文涛，合肥工业大学化工学院 24
2. 力学模型
在简单情况（单轴压缩或拉伸，单剪或纯 剪）下，应力应变特性可用力学流变模型 描述。 在评价蠕变或应力松弛试验结果时，利用 力学流变模型有助于了解材料的流变性 能。 这种模型已用了几十年，它们比较简单， 可用来预测在任意应力历史和温度变化下 的材料变形。
郝文涛，合肥工业大学化工学院
7
流变学是研究材料的流动和变形的科学
流动与变形又是两个紧密相关的概念。在 时间长河中，万物皆流，万物皆变。 流动可视为广义的变形，而变形也可视为 广义的流动。 两者的差别主要在于外力作用时间的长短 及观察者观察时间的不同。
郝文涛，合肥工业大学化工学院
8
流变学是研究材料的流动和变形的科学
郝文涛，合肥工业大学化工学院
11
2. 流变学的发展
①
流变学出现在20世纪20年代
学者们在研究橡胶、塑料、油漆、玻璃、混凝 土，以及金属等工业材料；岩石、土、石油、 矿物等地质材料； 以及血液、肌肉骨骼等生物材料的性质过程 中，发现使用古典弹性理论、塑性理论和牛顿 流体理论已不能说明这些材料的复杂特性。 于是就产生了流变学的思想。
郝文涛，合肥工业大学化工学院 14
③ 早期国际流变学发展
经过长期探索，人们终于得知，一切材料都具有 时间效应，于是出现了流变学，并在20世纪30年 代后得到蓬勃发展。 1929年，在E.C. Bingham教授的倡议下，美国创 建流变学会；1939年，荷兰皇家科学院成立了以 伯格斯教授为首的流变学小组；1940年英国出现 了流变学家学会。当时，荷兰的工作处于领先地 位，1948年首届国际流变学会议就是在荷兰举行 的。 法国、日本、瑞典、澳大利亚、奥地利、捷克斯 洛伐克、意大利、比利时等国也先后成立了流变 学会。
郝文涛，合肥工业大学化工学院
32
三．高分子流变学研究内容
粗略地，高分子材料流变学可分高分子结 构流变学和高分子加工流变学两大块。