（机械电子工程专业论文）固液界面流变的若干基本问题研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 以旋转流变仪为主要工具，用不同流变学方法测量了一种中等分散性聚合物熔体聚 二甲基硅氧烷( p d m s ) 的在同一温度下的特征松弛时间，检验了结果的相符程度，并与 线性松弛时间谱作了比较。将阶跃应变的阻尼函数数据与d o i e d w a r d s 管道理论和 m a r m c c i 等人的模型的预测作了比较，发现预测的应变软化程度偏高。讨论了壁面滑移 对阻尼函数的影响。详细考察了阶跃应交中由于材料不稳定性造成应变增加时出现的应 力峰值。应力峰值分别在应变大约为1 0 ，2 5 和3 0 时发生，与d o i e d w a r d s 管道理论或 m a r r u c c i 等的模型预测值2 1 或2 3 很接近，预示了大的名义应变下实际应变的非均匀 性。按照c h o 等人提出的应力分解方法，对p d m s 在大振幅剪切流中的总应力分解为 弹性和粘性应力后，发现在线性区及非线性区中的前一部分，随着角频率的增加，在时 间尺度为t = 1 时，l a o s 中的广义储能模量g ；( ，) 逐渐接近阶跃应变中的松弛模量 g ( y ，f ) o 对p d m s 在不同粗糙度的铝板上做了三种间距下的稳态剪切实验，分别用滑移速 度和滑移长度表征壁面滑移程度，发现表面粗糙度在一定程度上抑制了壁面滑移，抑制 滑移的粗糙度范围与j a v i e r 和l y n d e n 的结论基本一致。对p d m s 和线型低密度聚乙烯 ( l l d p e ) 在相同表面粗糙度不同材质的平行板夹具上做了稳态和动态剪切实验，发现 夹具的表面能对于p d m s 的壁面滑移有重要影响。对于l l d p e ，在实验范围内，没有 观察到明显的壁面滑移。通过测量p d m s 熔体在平板上的接触角，分析了表面能与壁 面滑移之间的关系。结果表明：对于相同表面粗糙度的夹具，表面能越大，壁面滑移程 度越弱。 从流变测量中发生剪切速率对平行板问距依赖性的角度研究了四种聚合物熔体 p d m s ，聚甲基乙烯基硅氧烷( p m v s ) ，h d p e 以及聚丙烯( p p ) 的壁面滑移或应变不均匀 的现象。在稳态剪切流中，发现p m v s 等熔体发生滑移时似乎没有临界剪切应力，而 应变不均匀性可能是影响间距依赖性的主要因素。动态剪切实验显示，在不同的间距下， 随着应变幅值增大，剪切应力数据在小振幅和非线性区前期重合，然后在某一应变处发 生分叉，意味着发生了壁面滑移或者应变不均匀。按照c h o 等人提出的应力分解方法， 在分叉点将总剪切应力分解为弹性应力和粘性应力后，考察了影响壁面滑移发生的可能 因素。在大振幅剪切流中，四种聚合物熔体发生滑移时的l 临界参数最大弹性应力与线性 复模量的比值f 。一j g l 都在( 0 2 6 0 4 9 ) 范围内，随角频率增加而缓慢降低，该参 数对样品材料和温度都不敏感。证实v i n o g r a d o v 提出的弹性应力是导致壁面滑移或应 变不均匀性的关键因素。 在同一平行板间距、不同角频率和应交幅值下研究了p d m s 样品壁面滑移的变化规 律，提出了大振幅剪切流中壁面滑移的动力学图谱。图谱分为4 个区：粘附区、弱滑移 区、粘附滑移区、强滑移直至不稳定流动区。用无量纲弹性模量g 。如，) 度量非线性 强弱。角频率增大，线性区变小，非线性增强，弱滑移和粘附滑移区缩小，熔体较容易 发生强滑移。我们提出的动力学图谱是描述剪切流早期的壁面滑移行为。 用不同表面粗糙度的铝板以及表面粗糙度相同而材质不同的板对h d p e 做了等温结 晶实验。发现随着表面粗糙度的增加，结晶速率先增大后减小；在相同表面粗糙度的板 上，结晶速率在铝板上最快，在不锈钢板上最慢，在黄铜板上居中。表面粗糙度的增加 一方面增加了样品与夹具壁面的接触面积，另一方面粗糙度的增加使得样品夹具界面 上积存有气泡，导致界面的等效热阻较大。若夹具本身的导热系数较大，则利于减小总 热阻。样品、界面、夹具三方面的因素共同作用，决定着h d p e 结晶速率。用壁面覆膜 的方法研究发现h d p e 样品的结晶速率对夹具的表面能不敏感。 关键词：流变学：壁面滑移；应变不均匀；表面粗糙度；表面能：大振幅剪切流 i i 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t s e v e r a lr h e o l o g i c a lm e t h o d sa r eu s e dt od e t e r m i n et h ec h a r a c t e r i s t i ct i m e sa taf i x e d t m p e r a t u r ef o rac o m m e r c i a lp o l y d i m e t h y l s i l o x a n e ( p d m s ) a n dt h e i rc o n s i s t e n c ea n dr e l a t i o n t ot h el i n e a rr e l a x a t i o ns p e c t r u ma r ee x a m i n e d t h ee x p e r i m e n t a ld a m p i n g 矗1 1 1 j t i o t i so f s t e p d e f o r m a t i o nf o rt h ep d m s ，ap o l y m e t h y l v i n y l s i l o x a n e ( p m v s ) a n dac o m m e r c i a lh i 曲 d e n s i t yp o l y e t h y l e n ef h d p e ) a r ec o m p a r e dw i t hp r e d i c t i o n so ft h ed o i e d w a r d st h e o r ya n d m o d e lo fm a r r u c e ie ta lt h ee f f e c to fw a l ls l i po nt h ed a m p i n gf u n c t i o nd a t ai sd i s c u s s e d t h ea p p e a r a n c eo fs t r e s sp e a k sd u et ot h em a t e r i a li n s t a b i l i t y 勰t h es t r a i ni n c r e a s e sa b o v ea c r i t i c a lv a l u ei sd e t a i l e d b ya p p l y i n gt h es t r e s sd e c o m p o s i t i o nm e t h o dp r o p o s e d b yc h oe ta l t ol a r g ea m p l i t u d eo s c i l l a t o r ys h e a r ( l a o s ) f o rt h ep d m ss a m p l e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h eg e n e r a l i z e de l a s t i c m o d u l u s g 品( 印，) a n d t h er e l a x a t i o n m o d u l u sg ( r ，r ) i s i n v e s t i g a t e d i ti sf o u n dt h a ti nt h el i n e a ra n di n i t i a ln o n l i n e a rr e g i m e s ，a st h ea n g u l a r 行e q u e n c yi n c r e a s e s ， g ；( c o ，) a p p r o a c h e s t o g ( y ，t ) o n t h e t i m es c a l et = 1 c o s t e a d ys h e a re x p e r i m e n t sw e r ed o n ef o rp d m so na l u m i n i u mp a r a l l e lp l a t e so fd i f f e r e n t s u r f a c er o u g h n e s sw i t ht h r e eg a p si nw h i c ht h ew a l ls l i pw a sc h a r a c t e r i z e db ys l i pv e l o c i t y a n ds l i pe x t r a p o l a t i o nl e n g t h i tw a sf o u n dt h a tt h ew a l ls l i pw a ss u p p r e s s e db yt h er o u g h n e s s i nac e r t a i nr a n g ew h i c ha g r e e da p p r o x i m a t e l yw i t ht h a td e t e r m i n e db yj a v i e r a n dl y n d e n s t e a d ya n dd y n a m i cs h e a re x p e r i m e n t sw e r ed o n ef o rp d m sa n dal i n e a rl o wd e n s i t y p o l y e t h y l e n e ( l l d p e ) o np a r a l l e lp l a t e sw i t ht h es a n l es u r f a c er o b 曲b e s sa n dd i f f e r e n t c h e m i c a lc o m p o s i t i o n i tw a sf o u n dt h a tt h es u r f a c ee n e r g yh a sa ni m p o r t a n te f f e c to nw a l l s l i pf o rp d m s i nt h ee x p e r i m e n t a lr a n g e ，n oo b v i o u sw a l ls l i pw a so b s e r v e df o rl l d p e m e l t t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es u r f a c ee n e r g ya n dw a l l s l i p w a si n v e s t i g a t e d b y m e a s u r i n gt 1 1 ec o n t a c ta n g l eo ft h ep d m sm e l to nt h ef i x t u r e ss u r f a c e t h er e s u l ts h o w st h a t s t r o n gs u r f a c ee n e r g yw e a k e n st h el e v e lo f w a l ls l i p w a l ls l i po ft h em e l t so fp d m s ，p m v s ，h d p ea n dp o l y p r o p y l e n e ( i p p ) w e r es t u d i e d e x p e r i m e n t a l l yb yu s i n gar o t a t i o n a lr h e o m e t e rw i t hp a r a l l e lp l a t ef i x t u r e sa n dc h e c k i n gt h e g a pd e p e n d e n c eo ft h es t r e s s s t r a i nd a t a i nt h es t e a d ys h e a r i n gf l o wi tw a sd i s c o v e r e dt h a t ， c o n t r a s tt oh d p e ，t h e r es e e n l sn oc r i t i c a ls h e a rs t r e s sf o rt h eo n s e to fs l i po fp m v s i nt h e d y n a m i co s c i l l a t o r ys h e a rf l o w , a st h es t r a i na m p l i t u d ei n c r e a s i n g , t h es t r e s sd a t ao b t a i n e d u n d e rd i f f e r e n tg a p sf i r s to v e r l a p p e dw e l li nt h el i n e a ra n dt h ee a r l yp a r to fn o n l i n e a rr e g i o n s ， t h e n , a tac e r t a i ns t r a i na m p l i t u d e ，s t a r t e dt od i v e r g e ，i n d i c a t i n gt h a tw a l ls l i po rs t r a i n 1 1 1 s t r a t i f i c a t i o n o c c u r r e d e m p l o y i n g t h ee l a s t i c v i s c o u s s t r e s s d e c o m p o s i t i o nt e c h n i q u e p r o p o s e d b yc h oe ta l f l s ，w eh a v ee x a m i n e dp o s s i b l ec a n d i d a t e sa m o n gv a r i o u sp a r a m e t e r s t h a tc o u l dd e t e r m i n et h eo n s e to fw a l ls l i p t h ed i m e n s i o n l e s sp a r a m e t e rf | 珊】g 。| ，i e ，t h e r a t i oo ft h em a x i m u me l a s t i cs t r e s si nac y c l et ot h el i n e a rc o m p l e xm o d u l u s ，w a sf o u n dt o v a r yi nt h er a n g ef r o mo 2 6t oo 4 9f o rt h ef o u rk i n d so fp o l y m e rm e l t sw h e nt h ew a l ls l i po r s t r a i ns t r a t i f i c a t i o no c c u r r e d i nt h a tr a n g e ，t h eo n s e tv a l u ed e c r e a s e sw e a k l ya st h ea n g u l a r f r e q u e n c yi n c r e a s e sa n di sa l m o s ti n d e p e n d e n to f t h et e m p e r a t u r ei nc o n s i d e r a b l el a r g er a n g e s t h u se l a s t i cs t r e s si st h ek e yf a c t o rc a u s i n gt h ew a l ls l i po rs t r a i ns t r a t i f i c a t i o no fp o l y m e r m e l t s w h i c hs u p p o r t st h ec o n c l u s i o no f v i n o g r a d o ve t 耐se a r l i e ri n v e s t i g a t i o n w a l ls l i pi nl a o sf o rp d m sw a sf u r t h e rs t u d i e de x p e r i m e n t a l l yw i t l lo n eg a po ft h e p a r a l l e lp l a t e sf i x t u r e sa n dv a r i o u sa n g u l a rf r e q u e n c i e sa n ds t r a i na m p l i t u d e s a st h es t r a i n a m p l i t u d ei n c r e a s e d ，n o o b v i o u s - - - d e c r e a s i n ge v e no b s o l e s c e n tw a v ef o r md i s t o r t i o n i n s e q u e n c ew e r eo b s e r v e d ，w h i c hs h o w e dt h a ts t i c k - - w e a ks l i p - - s t i c k s l i p - - s t r o n g f u l ls l i p e v e nu n s t e a d yf l o wo c c u r r e db e t w e e nt h em e l ta n dt h ew a l l a tt h es a m et i m et h en o n l i n e a r v i s c o e l a s t i c i t y i nl a o sw a s m e a s u r e db yu s i n gt h ed i m e n s i o n l e s s s t o r a g em o d u l i g ，7 0 ) p r o p o s e db yc h oe t 口，s a sa n g u l a rf r e q u e n c yi n c r e a s e s ，b o t hn o n l i n e a r v i s c o e l a s t i c i t ya n ds l i pi n c r e a s e s ad y n a m i cs p e c t r u mc o n c e r n i n gt w ok e yp a r a m e t e r so ft h e s t r a i na m p l i t u d ea n da n g u l a rf r e q u e n c yw a ss h o w nt op r e d i c tt h ef l o wb e h a v i o ri nl a o s 1 1 l e d y n a m i cs p e c t r u mr e f l e c t st h ee a r l ys t a g eo ft h el a o s a n dt i m ei sa n o t h e rc r u c i a lf a c t o r w h i c ha f f e c t st h ew a l ls l i pb e h a v i o r i s o t h e r m a lc r y s t a l l i z a t i o nb e h a v i o ro fh d p ew a ss t u d i e de x p e r i m e n t a l l yb yu s i n ga r o t a r yr h e o m e t e rw i t ha l u m i n u mp a r a l l e lp l a t e sf i x t u r e sw i t hd i f f e r e n ts u r f a c er o u g h n e s sa n d p a r a l l e lp l a t e sf i x t u r e sw i t ht h es a m es u r f a c er o u g h n e s sa n dd i f f e r e n tc h e m i c a lc o m p o s i t i o n i tw a sf o u n dt h a tt h ec r y s t a l l i z a t i o nr a t ed e p e n d so nt h es u r f a c er o u g h n e s so ft h ea l u m i n u m f i x t u r e s a st h es u r f a c er o u g h n e s si n c r e a s e s ，t h ec r y s t a l l i z a t i o nr a t ef i r s ti n c r e a s e st h e n d e c r e a s e sw h i c hm e a n st h e r ei sar a n g eo fs u r f a c er o u g h n e s sw h e r et h ec r y s t a l l i z a t i o nr a t e c a l lr e a c ht h em a x i m u mv a l u e s u r f a c er o u g h n e s se f f e c t i v e l ye n h a n c e st h ei n t e r r a c i a la r e a , t h u sd e c r e a s e st h eh e a tr e s i s t a n c e ；b u tp o s s i b l et r a p p e da i rp o c k e t si nt h ev a l l e yo ft h er o u g h s u r f a c ep r o d u c eac o n s i d e r a b l ei n t e f f a c i a lh e a tr e s i s t a n c e ，b o t ha f f e c tt h ec r y s t a l l i z a t i o nr a t e o fh d p e n l ei s o t h e r m a lc r y s t a l l i z a t i o nr a t ed e c r e a s e si ns e q u e n c ea st h eh d p es p e c i m e n c o n t a c t e dw i t ha l u m i n u m ，b r a s sa n ds t a i n l e s ss t e e lp l a t e sw h o s es u r f a c er o u g h n e s sa r eo nt h e s a l t l el e v e l t h es a m p l ec r y s t a l l i z e sm o r eq u i c k l yo nt h ef i x t u r e sw i mh i g h e rh e a tc o n d u c t i o n c o e f f i c i e n t ，t h u sw i t hl o w e rh e a tr e s i s t a n c e i tw a sf o u n dt h a tt h ec r y s t a l l i z a t i o nr a t eo f h d p e l v 浙江大学博士学位论文 w a si n s e n s i t i v et ot h es u r f a c ee n e r g yo ft h ef i x t u r ew h o s es u r f a c ew a sp a s t e dw i t ha l l a l u m i n u mf o i l k e y w o r d s ：r h e o l o g y ；w a l ls l i p ：s t r a i ns t r a t i f i c a t i o n ；s u r f a c er o u g h n e s s ；s u r f a c e e n e r g y ；l a r g ea m p l i t u d eo s c i l l a t o r ys h e a r v a 卜铝 爿自由能的增量，j m - 2 符号说明 c - 1 f i n g e f 张量 d 一毛细管直径，m m h ，h - 平行板间距，m m l l d p e 线型低密度聚乙烯 m b m s _ 微电子机械系统 m i 一重均分子量 p d m s - - 聚二甲基硅氧烷 p m v 卜聚甲基乙烯基硅氧烷 p 1 叩e 聚四氟乙烯 船一轮廓算术平均偏差，pm 如一轮廓微观不平度十点高度，1 1m 驴特征结晶时间，s 卜一时间，s v d w 一范德华 兄耐一粘附功，m n m y ( x 卜一基于中线的表面轮廓高度， 广密度，k g - m 。 4 样品与夹具之间的( 等效) 接触面积 r 吩子直径，一般认为是分子回转半径恐，a n b 滑移长度，咖，a n 伊嚷面粗糙度测量的均方偏差，pm e - 一流动活化能，k j m o l 卜_ 摩擦系数，n m m 2 1 m 取样长度 m 广一数均分子量 n e m s 纳电子机械系统 p i v 一粒子成像测速 p p 一聚丙烯 9 ，9 一体积流率，m 3 s r e y n o l d s 数雷诺数 s s 不锈钢 卜绝对温度，k 卜温度， 卜体积，m 卜取样长度，m m l 。表面轮廓高度，1 1m v 单位体积的网络束的数目 ，缸固体及液体之间的表面张力，m n m 吒滑移发生时的i l 缶界剪切应力，p a ，m p a 曰接触角，。 耵每根网络束的热能，j ，平衡状态的圆体及其饱和蒸汽的表面张力，m n m 圪p 平衡状态的液体( 在其饱和蒸汽中) 的表面张力，m n m - b o l t z m 锄n 常数，1 3 8 x 1 0 之3 j k r 比热容，l ( j ( 蚝k ) - l a 导热系数，w ( m - k ) 。1 v l 口一热扩散系数，1 旷m 2 s 1 特征结晶速率，s - 1 匙一分子回转半径，a n 浙江大学博士学位论文 靠- r o u s e 时间，s本体粘度，p a - s 钆壁面上第一层分子等效粘度，简称壁面粘度，p a s 九表观应变 ( ) 表观阻尼函数 局表面均方根粗糙度肘。缠结分子量 一一i g l 大振幅剪切流中熔体发生滑移时的最大弹性应力与线性复模量的比值 单点值与平均值之间的相对误差 l o ，) = i 卜如i = l p c l 弹性应力在四分之一周期内所做的功，p a g 动态剪切模量，线性区复数模量，p a a h ，分子从一个位置跃迁到另一个位置所需克服的活化焓势垒 n 。分子跳跃的速率 矿复数粘度，p a s t d 管道理论中分子链的脱离时间或爬行时间s g j ，y ) 广义储能模量，p ag ”。( ) 广义损耗模量，p a 以滑移松弛时间，s 吕加权强度，p a v + 活化体积 盯剪切应力，p a 角频率，l a d $ ，h z 1 7 0 开始剪切时的复数粘度，p a s f 离散的松弛时问，8 g j 平台模量，m p a f ，时间常数，s n 线性区应变 零剪切粘度，p a s r 熔体、界面、夹具整体的导热热阻，k w z 稳态剪切柔量，l p a a 0 移动因子 v i i ，应变 y o 真实应变幅值 g ( f ) ，g ( r ，f ) 松弛模量，p a s = c 一1 7 2 一( c “2 ) 应变张量 ( ，) 阻尼函数 f | ，一分别为弹性应力和粘性应力，p a f o ，f k 分别为在一个周期中分解的最大弹性应力和粘性应力，p a “，p ) ，圪滑移速度，m m ，s f ，f 0 松弛时间，s 岛，7 矿特征化松弛时间，sf l ，。- 最长的松弛时间，s 哆动态模量g - ，g ”相等时的角频率，r a d s 九剪切变稀刚发生时的剪切速率，s 一1 尹剪切速率，j 一1 胄气体常数，r = 8 3 1 4 5 j k t o o l 、巳、岛分别为取向应变张量s 的特征值 九、4 ，以j _ 分别为熔体、界面、夹具的( 等效) 导热系数，w ( m k ) 4 l 、0 分别为熔笸、界面、夹具的特征长度，m m v i l l 学号10 3 0 8 0 8 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸鎏盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名力翟旁 签字日期：2 勺年7 月o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘茎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝江盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲角落岛 新躲荔扔豹 签字日期：沙r - 7 年7 月p 日 签字日期岬年7 月。日 工作靴f 致涉啦 慨9 卜f ? - 3 j o d 旷 通讯地址：牟叫币烯蔽产j ； 1 也微纠每邮编：纠州尹 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 界面流变学的研究背景 物质有气、液、固三态，也就有气、液、固三相，相与相之间的分界面称为界 面。一般又将有气相组成的界面，如气一液界面、气一固界面称为表面。其他相组成 的界面，如液液界面、液一固界面和固一固界面仍称为界面( 顾中言，2 0 0 5 1 0 ) 。以 往，由于历史原因，界面与表面区分不严格，甚至混为一谈。从晶体几何学的观 点看，界面是三维晶格周期性排列从一种规律转变为另一种规律的几何分界面。 从物理化学角度看，界面是指任意两相之间的接触面或交界区。根据相的不同，可 以有固一固、固一液、固一气、液一液、液一气五种界面。而表面通常是指凝聚相和气 相之间的分界面。固体表面中的实际表面一暴露在未加控制的大气环境中的固体 表面，或者经过一定加工处理( 如切割、研磨、抛光、清洗等) ，保持在常温和常 压( 也可能在低真空或高温) 下的表面。研究实际表面，虽然受到氧化、吸附和污 染的影响而得不到确定的特性描述，但是它可取得一定的具体结论，直接应用于 实际。不论界面还是表面，它并非是几何平面，而是约为一个或几个原子层 ( o 5 1 0 n m ) 厚的薄层。薄层更厚一点，则将界面称为界面层，表面称为表面层( 王 逢瑚，刘志明，2 0 0 1 2 4 1 ) 。 流变学是力学中一门较新的分支学科，它主要研究各种材料在应力、应变、 温度、湿度、辐射等条件中与时间有关的变形和流动的规律( 3 5 3 6 ，3 8 ，范庆荣 1 9 8 3 【7 ) 。流变学主要的研究内容是各种材料的蠕变和应力松弛的现象、屈服值等 以及材料的流变模型和本构方程。 流变学出现在2 0 世纪2 0 年代，在2 0 世纪3 0 年代后得到蓬勃发展。1 9 2 9 年， 美国在e c b i n g h a m 教授的倡议下，创建流变学会；1 9 3 2 年，荷兰皇家科学院成 立黏度协会，1 9 5 0 年改称荷兰流变学学会；1 9 4 0 年，英国成立流变学家俱乐部， 也于1 9 5 0 年改称英国流变学学会。当时，荷兰的工作处于领先地位，首届国际流 变学会议于1 9 4 8 年9 月在荷兰召开。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。1 9 8 5 年，由北京大学 陈文芳教授和湘潭大学袁龙蔚教授等人发起成立了中国流变学专业委员会，仿效 国际做法，该委员会隶属于中国化学会和中国力学学会领导，对外称中国流变学 会。t m e s d e l l 在1 9 6 3 年的第四届国际流变学会议上介绍了流动和变形的理性力学 ( r a t i o n a lm e c h a n i c s ) ，奠定了现代流变学的理论基础，认为客观性公理和熵增( 含熵 的负增长) 公理是物体本构关系应满足的最一般原理。随着理性力学从小形变理论 到有限形变理论、从物性的线性理论到非线性本构理论、从宏观模型理论到微结 构理论，流变学相应地从连续介质观点研究材料流变性质的宏观流变学发展到应 用统计物理学方法研究材料内部微结构的介、微观流变学。 对流体材料一般用流变仪进行试验。比如，通过计算球体在流体中因自重作用 沉落的时间，据以计算牛顿粘滞系数的落球粘度计法；通过研究流体在管式流变 仪( 如毛细管流变仪) 中流动时管内两端的压力差和流体的流量，以求得牛顿粘 滞系数和b i l l - g h a n a 流体屈服值的管式粘度计法；旋转流变仪，夹具为平行板、锥 板以及同轴圆筒。此外，还有狭缝流变仪、滑移板流变仪等( m a c o s k o ，1 9 9 4 1 0 3 ) 。 对粘弹性材料的实验方法分为稳态剪切或拉伸试验、蠕变试验、应力松弛试 验和动力试验四种。在各种试验工作中，还要研究并应用各种现代测量原理和方 法，对于非线性材料的大应变、大位移的复杂课题己用有限元法或有限差分方法 进行研究。 随着经济和工业化的发展，流变学将有广阔的发展领域，并已逐步渗透到许 多学科而形成相应的分支，例如高分子材料流变学、断裂流变力学、土流变学、 岩石流变学以及应用流变学等等。在理论研究上，己超出均匀连续介质的概念， 开始探索离散介质、非均匀介质以及非相容弹性介质的流变特性。实验原理和测 试技术的研究以及电子计算机的应用，将在流变学的发展中显示重要的地位和发 挥巨大的作用。 在流变学的历史中，界面流变学( i n t e r f a c i a lr h e o l o g y ) 的对象一般是泡沫 ( f o a m ) 和乳化液( e m u l s i o n ) ，分别研究气液和液液界面( 或薄膜) 的流变性 质( h e m a re ta 1 1 9 9 5 1 7 4 ，w a n ga n dl n n1 9 9 5 1 4 5 ，h o o l1 9 9 6 1 7 9 ，h o r o z o ve t 以 1 9 9 7 1 8 0 ，p a t i n oe la 1 1 9 9 9 1 2 0 ，y i ma n df u l l e r2 0 0 3 1 1 4 9 】，f r e e r e ta l , 2 0 0 4 1 6 3 ) 。对 于泡沫，界面流变特性与宏观流变特性之间的差异较大( p a t i n oe la 1 1 9 9 9 1 2 0 ) 。 对固液界面流变行为的研究在聚合物流变学中很早就受到了重视。6 0 年代在 塑料加工的挤出、注塑工艺中观察到壁面滑移现象。随后壁面滑移用毛细管流变 仪的实验得到反复的证实和研究，有大量的文献报道。壁面滑移又被发现与挤出 流的不稳定性，熔体破裂等聚合物加工工艺的关键问题密切相关。吴舜英等( 2 0 0 1 2 9 ) 在前人研究的基础上，将聚合物熔体在挤出口模中流动时的滑移与聚合物的 弹性、分子结构及熔体在壁面上的粘附联系在一起。由于受到剪切作用，壁面处 的分子链高度取向，降低了熔体与壁面间的粘附，剪切力高于粘附力时，滑移产 生，分子取向使其构型熵降低，则向中间大熵值处移动，滑移后弹性能释放，滑 移产生热量使聚合物又粘附到壁面，回复到初始态。这样反复进行，粘附一滑移 交替出现。这种过程在一薄层内出现，导致鲨鱼皮症状，称这种滑移为“界面滑 移”。剪切速率增加，薄层的分子扩散到本体区，降低了本体区与薄层的结合力。 新江大学博士学位论文 当剪切力超过薄层的分子间作用力时，发生结构破坏而产生无规则撕裂滑移，称 这种滑移为“本体滑移”。运用弹性能和界面粘着转变功的概念推导了“界面滑 移”的临界应力表达式，运用分子活化率理论和高聚物内聚能的知识推导了“本 体滑移”的临界应力表达式，还建立了滑移运动方程，推导了滑移速度表达式。 黄兴元等( 2 0 0 4 1 5 ) 的综述指出，聚合物熔体与壁面间发生粘附一滑移时，挤出物 的表面质量受到破坏，而发生完全滑移时，挤出物内部和表面质量都较好，也提 高了挤出效率。在聚合物熔体中加润滑剂或在聚合物与口模壁面间加液体或气体 润滑剂能改善挤出物的表面质量。关于壁面滑移机理从8 0 年代至今是流变学研究 的热点之一( 何天白，胡汉杰1 9 9 7 1 3 ，k r a y n i k a n ds c h o w a l t e r1 9 8 1 1 9 3 , b r o c h a r d a n dd eg e n n e s1 9 9 2 1 4 7 ，w a n ga n dd r d a1 9 9 6 a , b 1 4 2 - 1 4 3 ，l a w a la n dk f l y o n 1 9 9 7 1 9 6 ，l e g r a n d e ta 1 1 9 9 8 1 9 9 ，l 6 9 e re la 1 1 9 9 9 1 9 7 ，w a n g1 9 9 9 1 1 4 6 】，h a ye ta 1 2 0 0 0 1 7 3 ，p ie la 2 0 0 0 1 2 3 ，s a d e g h ya n dj a m e s2 0 0 0 1 1 2 7 , o a n n2 0 0 1 1 5 7 】，z h ua n d g r a n i c k2 0 0 2 1 5 1 d 。 1 2 微尺度流动 自2 0 世纪8 0 年代末至今，微电子机械系统( m e m s ) 和纳电子机械系统 ( n e m s ) 得到了快速的发展。微系统为一典型的多场耦合问题，由于其特征尺度 一般在亚微米百纳米量级，具有很大的表面积和体积比，所以其关键科学问题 是“尺度效应”和“表面效应”( 洪友士2 0 0 4 1 4 ) 。m e m s 和生化芯片技术的迅猛 发展催生了“微流体”( m i c r o f l u i d i c s ) 这一研究微尺度上流动现象的学科。与传 统流体力学不同的是，在微米一纳米尺度上，流体与固壁的界面面积大大超过了 流体体积，使界面性质、界面力( 如表面张力、v d w 力、静电力、c a s i m i r 力、毛 细力、亲水力等) 成为主导因素。表面与界面是材料物理、化学性质发生突变的 二维区域，材料的许多重要的物理、化学过程首先发生在表面，同时材料的很多 破坏和失效也首先发生在表面和界面( 洪友士2 0 0 4 1 4 ) 。由此产生了与宏观尺度流 体力学许多不同的特征。认识这些特征和它们的机理是现代流体力学的发展方向 之- - ( h oa n dt a i1 9 9 8 1 7 8 ，p a l2 0 0 0 1 11 5 ，p a p a u t s k ya n da m e e l2 0 0 1 1 11 9 ，s t o n ee la 1 2 0 0 4 1 13 2 ) 。 微流体技术是指控制和操作特征尺度小于l 毫米的流体流动的设备和方法。有 关这类流动现象的研究早已成为与胶体科学和植物学相关的流体力学的一部分， 带有粘性流动动力学的经典特征。近年来这门学科已经得到广泛关注，由于( a ) 工业上集成制作尺度为几十到几百微米甚至更小的流动部件的方法可行，( b ) 生 物学和生物技术的快速发展，能够操作细胞大小或更小的尺度，检测很小的量以 及小体积，( c ) 能执行简单分析任务的可移动设备的需要，( d ) 利用微系统进行 物理、化学和生物过程的基础研究的潜在需求。这种趋势还在发展，而且，纳米 流体要求操作尺度为d n a 分子束，其它生物分子及大的蛋白质。 报道微尺度应用的有很多杂志，比如l a b o n - a - c h i p ，s e n s o r sa n da c t o r s 。a n d a n a l y t i c a lc h e m i s t r y 等。微流体方面的文献报道各种功能元件，如微阀、微泵、执 行元