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流变学的应用 谢培栋曾仕林林文成鹏李德财 流变学 Rheology 的定义 流变学是研究物质形变和流动的科学流变学是研究流动与变形的科学 对于粉末冶金 塑料 油漆 印刷油墨 清洁剂 石油等行业的科技人员来说 拥有流变学知识是十分必要的 从物质状态来说 流变学的研究对象包括固体 流体和悬浮体 因此流变学又可分为固体流变学 流体流变学和悬浮体流变学 在工业生产与日常生活中 对流体流变学的研究远远超过固体 流变学和悬浮体流变学 流体流变学研究的对象是流体 包括牛顿流体和非牛顿流体 而牛顿流体的流动与变形问题已由牛顿流体力学解决 所以现代流变学的主要研究对象就是非牛顿流体 根据非牛顿流体的不同类型 又有聚合物流变学 生物流变学 食品流变学 润滑剂流变学 石油流变学等各学科分支 此外还有与社会科学交叉的心理流变学 流体及其分类 流体是液体和气体的总称 流体是由大量的 不断作热运动而且无固定平衡位置的分子构成的 它的基本特征是没有一定的形状和具有流动性 通常依据在一定的温度和一定的剪切应力作用下流体所表现出的特性 把其划分为牛顿流体与非牛顿流体两大类 这个特性就是粘度 粘度是表示体系对流动阻力的一种性质 它可以理解为液体流动时表现出的内摩擦 以下 我们仅研究非牛顿流体 布朗运动 1826 英国植物学家 显微镜 水中花粉 对于非牛顿流体 也可类似于牛顿流体 把切应力和应变速率之比定义为非牛顿流体的表观粘度或称粘度函数 根据在简单剪切流中非牛顿流体的粘度函数是否和剪切持续时间有关 可以把非牛顿流体分成两类 非时变性非牛顿流体和时变性非牛顿流体 非时变性非牛顿流体主要包括以下3种 1 宾汉流体 或称塑性流体 它是只当剪切应力大于某一数值时才开始流动的流体 这时体系并非全部发生形变 而是产生滑动 中间发生变化的部分仍按原来的结构形式一起向前运动 当应力大于屈服值后 其流动性跟牛顿流体完全一样 一些浓悬浮液 如糊状物 软膏 面团 淤泥等 在适当条件下可表现出这种行为 2 剪切稀化流体 也称伪塑性流体 这种流体没有屈服值 表观粘度随剪切速率增加而减小 这种粘度随剪切速率增大而减小的现象称为剪切变稀现象 大多数高分子溶液和乳状液具有明显的假塑性 3 剪切稠化流体 也称膨胀型流体 与假塑性流体相反 膨胀流体的表观粘度随切变速率增加而增大 这种现象称为剪切增稠现象 一些浓稠悬浮体 蛋白质及某些高分子溶液可表现出切力增稠现象 时变性非牛顿流体 这类流体的粘度函数不仅与应变速率有关 而且与剪切持续时间有关 大致分为2类 1 触变性与震凝型流体 在一定的剪切变形速率下 触变流体的粘度函数随时间减小 而震凝型流体则相反 表观粘度随时间而增大 震凝性体系很少 实际遇到的触变性体系较多 某些粘土悬浮液 陈胶 溶胶及高聚合物可表现出触变性 2 粘弹性流体 这类流体兼具粘性和弹性 与粘性流体的主要区别在于外力消除后产生部分应变回复 粘弹性流体除粘度函数与剪切持续时间有关外 在剪切流动中还表现出法向应力差效应 流变学应用 1 血液流变学 hemorheology 血液流变学 就是在宏观 微观与亚微观水平上研究血液的细胞成分和血桨的变形与流动特性 以及与血液直接接触的血管结构的流变特性 也就是从不同层次上研究血液与血管流变问题 是生命科学研究前沿的一门学科 在许多疾病临床症状出现之前 就可以观察到血液流变特性的改变 因此及时了解血液流变特性的变化 采取有效措施改善血液流变特性 是预防和治疗疾病 防止疾病恶化的重要手段之一 正常情况下 血液在外力 血压 的作用下 在血管内流动 并随着血管性状 管壁情况和血管形状等 及血液成分 粘度 的变化而变化 维持正常的血液循环 当血液粘度变大时 血液流动性就变差 也就最容易发生脑血栓性疾病 反之 粘度较小 流动性较好 生命在于运动 血液流变学的研究近年来有很大的进步与发展 许多医学研究者对血液粘性 触变性及相关的各种疾病等进行了大量的研究和实验 通过对血液粘度的测量可以进行消化道疾病 糖尿病 高血压 老年痴呆 冠心病 脑血栓等多种疾病的医学诊断和治疗方案的确定 2 细胞流变学 细胞流变学是研究细胞流动和变形行为的一门学科 它来源于宏观血液流变学的深入研究 并独立地发展起来 细胞流变学是在细胞水平上研究血液的流变性 尤其是红细胞的可变形性 聚集性和表面电荷 以及白细胞的流变性 如白细胞的变形性 白细胞在微循环中的作用 白细胞与内皮细胞的相互作用 白细胞的趋边与粘附特性 血小板的流变与聚集性等 是生物流变学向微观方向深化过程中在细胞层次上的具体展现 近年来 不少学者考察了细胞 尤其是血细胞 的流变特性和力学行为KRISTEN等用粘弹性理论很好地说明了红细胞的流动与变形 CITTERS等研究发现纤维型肌动蛋白和肌浆球蛋白在上皮细胞流变中的作用 LIU等采用一个新的三维模型成功模拟了红细胞的聚集 SEQUEIRA s kw 等通过由活体显微镜检查和流变测量得到的参数建立的血液非牛顿剪切变稀模型来研究白细胞动力学 3 液晶高分子流变学 液晶高分子是在一定条件下以液晶相态存在的高分子 是一种各向异性的粘弹性非牛顿流体 存在取向运动是液晶高分子流体与一般流体运动的显著区别之一 液晶高分子流体由于特殊的取向特性 具有与一般牛顿流体不同的奇特的流变现象 SNIVELY等用平面阵列红外光谱观测了液晶在剪切应力作用下的定向运动 证实其与理论预测结果一致 GRECOV rek u 等用GENNES模型对线性液晶高分子进行直接数值模拟 总结了结构比例定律并绘制了流变结构图 由于高分子量和液晶相序的有机结合 液晶高分子具有一些优异特性 拥有广泛的应用前景 例如 它是强度和模量最高的高分子 能用于制造防弹衣 缆绳乃至航天器的大型结构部件 它可以是膨胀系数最小的高分子 适于光纤的保护层 也可以是微波吸收系数最小的耐热性高分子 特别适合制造微波炉具 它还可以是最具铁电性及反铁电性的高分子 可望在信息技术等领域一显身手 等等 此外 由于许多生命现象与物质的液晶态相关 对高分子液晶态的研究也有助于对生命现象的理解并可能导致有重要意义的新医药材料和医疗技术的发明 因此 研究液晶高分子流变学具有重要意义 铁磁体 在一些电介质晶体中 晶胞的结构使正负电荷重心不重合而出现电偶极矩 产生不等于零的电极化强度 使晶体具有自发极化 晶体这种性质叫铁电性 ferroelectricity 与铁磁体的磁滞回线形状类似 所以人们把这类晶体称为铁电体 其实晶体中并不含有铁 4 电流变学 电流变学是研究在电场作用下流体的一些特殊运动规律 探讨在电场作用下流体的电学 力学 化学及物理学性能 这些研究必将扩充流变学的现有领域 形成一门新的学科 利用电流变液体的表观粘度和抗剪强度可实现快速 无级 连续 可逆控制 而且具有所需能耗低等特点 可用于发展一些高性能且参数可控的离合器 制动器 减振器 隔振器 传感器等 为机械工程领域创造出许多性能优良 结构简单的新产品 5 磁流变学 磁流变现象是20世纪40年代美国学者RABINOW发现的 即在磁场作用下磁流