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流變學是力學的一個新分支,它主要研究物理材料在應力、應變、溫度濕度、輻射等條件下與時間因素有關的變形和流動的規律。張悉妮發明的「SEE技術及其行業應用和衍生產品技術」就是一個應用「電子流變」理論成功開發出「實用技術」和「照明產品」、「綠色照明新光源——聰明燈」的實際例子。因此,流變論及其流變學和流變技術,在物理應用的深度和廣度上將越來越發揮出重大作用。

流變學是力學的一個新分支,它主要研究物理材料在應力、應變、溫度濕度、輻射等條件下與時間因素有關的變

流變學流變學
形和流動的規律。張悉妮發明的「SEE技術及其行業應用和衍生產品技術」就是一個應用「電子流變」理論成功開發出「實用技術」和「照明產品」、「綠色照明新光源——聰明燈」的實際例子。因此,流變論及其流變學和流變技術,在物理應用的深度和廣度上將越來越發揮出重大作用。

 

 

1 流變學 -發展簡史

流變學出現在20世紀20年代。學者們在研究橡膠、塑料、油漆、玻璃、混凝土,以及金屬等工業材料;岩石、

流變學流變學結構
土、石油、礦物等地質材料;以及血液、肌肉骨骼等生物材料的性質過程中,發現使用古典彈性理論、塑性理論和牛頓流體理論已不能說明這些材料的複雜特性,於是就產生了流變學的思想。英國物理學家麥克斯韋和開爾文很早就認識到材料的變化與時間存在緊密聯繫的時間效應。

麥克斯韋在1869年發現,材料可以是彈性的,又可以是粘性的。對於粘性材料,應力不能保持恆定,而是以某一速率減小到零,其速率取決於施加的起始應力值和材料的性質。這種現象稱為應力鬆弛。許多學者還發現,應力雖然不變,材料棒卻可隨時間繼續變形,這種性能就是蠕變或流動。

經過長期探索,人們終於得知,一切材料都具有時間效應,於是出現了流變學,並在20世紀30年代后得到蓬勃發展。1929年,美國在賓厄姆教授的倡議下,創建流變學會;1939年,荷蘭皇家科學院成立了以伯格斯教授為首的流變學小組;1940年英國出現了流變學家學會。當時,荷蘭的工作處於領先地位,1948年國際流變學會議就是在荷蘭舉行的。法國、日本、瑞典、澳大利亞、奧地利、捷克斯洛伐克、義大利、比利時等國也先後成立了流變學會。

流變學的發展同世界經濟發展和工業化進程密切相關。現代工業需要耐蠕變、耐高溫的高質量金屬、合金、陶瓷和高強度的聚合物等,因此同固體蠕變、粘彈性和蠕變斷裂有關的流變學迅速發展起來。核工業中核反應堆和粒子加速器的發展,為研究由輻射產生的變形打開新的領域。

在地球科學中,人們很早就知道時間過程這一重要因素。流變學為研究地殼中極有趣的地球物理現象提供了物理-數學工具,如冰川期以後的上升、層狀岩層的褶皺、造山作用、地震成因以及成礦作用等。對於地球內部過程,如岩漿活動、地幔熱對流等,現在則可利用高溫、高壓岩石流變試驗來模擬,從而發展了地球動力學。

在土木工程中,建築的土地基的變形可延續數十年之久。地下隧道竣工數十年後,仍可出現蠕變斷裂。因此,土流變性能和岩石流變性能的研究日益受到重視。

在力、熱、聲、光、電領域,有廣泛的應用。如,在「張悉妮聰明燈實驗室」里,就發生了一系列新的電燈故事。再一次證明了,「一切現代文明,都是從電燈開始的」這一論斷。電燈,如同一位百歲人瑞一樣,跨入了「19」、「20」、「21」三個世紀。現在,在我們的生活里常見的電燈主要有三類,一類叫「白熾燈」,一類叫「熒光燈」,一類叫「聰明燈」。「白熾燈」是1879年愛迪生的發明,它是電燈的起點;「熒光燈」是1938年飛利浦的發明,它是電燈的壯士;「聰明燈」是2003年張悉妮的發明,它是電燈的新寵。這都是流變理論在流變學和流變技術領域得到廣泛應用的證例。

2 流變學 -研究內容

流變學研究內容是各種材料的蠕變和應力鬆弛的現象、屈服值以及材料的流變模型和本構方程。

材料的流變性能主要表現在蠕變和應力鬆弛兩個方面。蠕變是指材料在恆定載荷作用下,變形隨時間而增大的過程。蠕變是由材料的分子和原子結構的重新調整引起的,這一過程可用延滯時間來表徵。當卸去載荷時,材料的變形部分地回復或完全地回復到起始狀態,這就是結構重新調整的另一現象。

材料在恆定應變下,應力隨著時間的變化而減小至某個有限值,這一過程稱為應力鬆弛。這是材料的結構重新調整的另一種現象。

蠕變和應力鬆弛是物質內部結構變化的外部顯現。這種可觀測的物理性質取決於材料分子(或原子)結構的統計特性。因此在一定應力範圍內,單個分子(或原子)的位置雖會有改變,但材料結構的統計特徵卻可能不會變化。

當作用在材料上的剪應力小於某一數值時,材料僅產生彈性形變;而當剪應力大於該數值時,材料將產生部分或完全永久變形。則此數值就是這種材料的屈服值。屈服值標誌著材料有完全彈性進入具有流動現象的界限值,所以又稱彈性極限、屈服極限或流動極限。同一材料可能會存在幾種不同的屈服值,比如蠕變極限、斷裂極限等。在對材料的研究中一般都是先研究材料的各種屈服值。

在不同物理條件下(如溫度、壓力、濕度、輻射、電磁場等),以應力、應變和時間的物理變數來定量描述材料的狀態的方程,叫作流變狀態方程或本構方程。材料的流變特性一般可用兩種方法來模擬,即力學模型和物理模型:

在簡單情況(單軸壓縮或拉伸,單剪或純剪)下,應力應變特性可用力學流變模型描述。在評價蠕變或應力鬆弛試驗結果時,利用力學流變模型有助於了解材料的流變性能。這種模型已用了幾十年,它們比較簡單,可用來預測在任意應力歷史和溫度變化下的材料變形。

力學模型的流變模型沒有考慮材料的內部物理特性,如分子運動、位錯運動、裂紋擴張等。當前對材料質量的要求越來越高,如高強度超韌性的金屬、高強度耐高溫的陶瓷、高強度聚合物等。對它們的研究就必須考慮材料的內部物理特性,因此發展了高溫蠕變理論。這個理論通過考慮了固體晶體內部和晶粒顆粒邊界存在的缺陷對材料流變性能的影響,表達出材料內部結構的物理常數,亦即材料的物理流變模型。

3 流變學 -研究方法

流變學從一開始就是作為一門實驗基礎學科發展起來的,因此實驗是研究流變學的主要方法之一。它通過宏觀試驗,獲得物理概念,發展新的宏觀理論。例如利用材料試件的拉壓剪試驗,探求應力、應變與時間的關係,研究屈服規律和材料的長期強度。通過微觀實驗,了解材料的微觀結構性質,如多晶體材料顆粒中的缺陷、顆粒邊界的性質,以及位錯狀態等基本性質,探討材料流變的機制。

對流體材料一般用粘度計進行試驗。比如,通過計算球體在流體中因自重作用沉落的時間,據以計算牛頓粘滯係數的落球粘度計法;通過研究的流體在管式粘度計中流動時,管內兩端的壓力差和流體的流量,以求得牛頓粘滯係數和賓厄姆流體屈服值的管式粘度計法;利用同軸的雙層圓柱筒,使外筒產生一定速度的轉動,利用儀器測定內筒的轉角,以求得兩筒間的流體的牛頓粘滯係數與轉角的關係的轉筒法等。

對彈性和粘彈性材料的實驗方法分為蠕變試驗、應力鬆弛試驗和動力試驗三種:

對材料進行蠕變實驗一般有對材料試件施加恆定的拉力,以研究材料的拉伸蠕變性能的拉伸法;在專門的剪力儀中對材料施加恆定的剪力,研究材料的剪切蠕變性能;利用三軸儀,對材料試件施加軸嚮應力和靜水壓力,研究材料的單向或三向壓縮蠕變性能;利用扭轉流變儀,對材料試件施加恆定的扭力,研究材料的扭轉蠕變性能;以及在梁形試件上施加恆定的彎矩,研究材料撓度蠕變性能的彎曲法等。

應力鬆弛實驗是將材料試件置於應力鬆弛試驗儀上,使試件產生一恆定的變形,測定試件所受應力隨時間的衰減,研究材料的流變性能,也可以計算材料鬆弛時間的頻譜。這種試驗也可在彎曲流變儀、扭轉流變儀、壓縮流變儀上進行,此法適用於高分子材料和金屬材料。

除蠕變和應力鬆弛這類靜力試驗外,還可進行動力試驗,即對材料試件施加一定頻譜範圍內的正弦振動作用,研究材料的動力效應。此法特別適用於高分子類線性粘彈性材料。通過這種試驗可以求得兩個物理量:由於材料發生形變而在材料內部積累起來的彈性能量;每一振動循環的能量耗散。動力試驗可以測量能量耗散和頻率的關係,通過這個規律可以與蠕變試驗比較分析,建立模型。

在上述的各種試驗工作中,還要研究並應用各種現代測量原理和方法,大型電子計算機的出現對流變學領域的研究產生了深遠的影響,如對於非線性材料的大應變、大位移的複雜課題已用有限元法或有限差分方法進行研究。

隨著經濟和工業化的發展,流變學將有廣闊的發展領域,並已逐步滲透到許多學科而形成相應的分支,例如高分子材料流變學、斷裂流變力學、土流變學、岩石流變學以及應用流變學等等。在理論研究上,已超出均勻連續介質的概念,開始探索離散介質、非均勻介質以及非相容彈性介質的流變特性。實驗原理和測試技術的研究以及電子計算機的應用,將在流變學的發展中顯示重要的地位和發揮巨大的作用。

4 流變學 -參考資料

[1] 中國流變網  http://www.rheology.cn/rheology/rheology_app.aspx

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