流变学第二章基本物理量和高分子液体的基本流变性质.ppt

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1、第二章基本物理量和高分子液体的基本流变性质高分子液体流动时所表现的弹性，与通常所说的理想固体的弹性和理想液体的粘性大不相同，也不是二者的简单组合。经典弹性理论各向同性理想弹性固体拉伸形变剪切形变胡克定律经典流体力学理论不可压缩理想流体牛顿粘性定律高分子液体流动的特点：1）粘弹性并存2）非线性粘弹性力学松弛高分子材料对自身的形变具有记忆能力，记忆具有衰退效应，遥远过去时的应力比新近不久时的应力对现在时刻的应变的影响小得多。高分子液体的流变性质很复杂，经典线性理论不能描述其流变行为，为了恰当描述高分子液体流动时的复杂的应力状态和大形变，需要建立一套不同的理论为什么需要学习这些基本物理

2、量？应力与偏应力张量速度梯度形变率张量剪切粘度第一、第二法向应力差系数拉伸粘度2.1应力与偏应力张量应力、标量、矢量张量在物理学上的定义为，在一点处不同方向面上具有各个矢量的物理量；在数学上的定义是，在笛卡尔坐标系上一组有3n个有序矢量的集合。指数n为张量的阶数。需要用九个分量来描述的物理量称为二阶张量。张量的分量数等于3阶数为什么要学习张量？1)剪切力的物理实质是粘滞力或内摩擦力，法向力的物理实质是弹性力（拉力或压力）。2)应力张量为对称张量，其中只有六个独立分量。三个为法向应力分量，三个为剪切应力分量。3)根据力的性质不同，应力张量可以分解表示偏应力张量是应力张量中最重要的部

3、分，直接关系到物体流动和形变（粘性形变和弹性形变）的描写，是我们研究的重点。偏应力张量也是对称张量偏应力张量中法向分量的绝对值并无很大意义，重要的是沿不同方向的法向应力分量的差值，它们对于描述非牛顿流体的弹性行为十分重要。用张量和偏应力张量描述下列流场中的应力状态简单剪切流场注意区分牛顿型流体和非牛顿型流体的应力张量和偏应力张量的区别图2-3简单剪切流场不管应力张量如何分解，偏应力张量中两个法向应力分量的差值始终保持不变。第一法向应力差函数N1=11-22第二法向应力差函数N2=22-33N1、N2加上粘度函数，用此三个函数就可以完整描写简单剪切流场中高分子流体的应力状态和粘弹性

4、。速度梯度张量形变率张量旋转速率张量剪切流场11与拉伸流场的本质区别例：简单剪切流场和一维单轴拉伸流场中的形变率张量2.2速度梯度，形变率张量图2-7一维单轴拉伸流场2.3粘度与法向应力差系数粘度的含义单位牛顿型流体的粘度2.3.1表观剪切粘度函数图2-9高分子溶体流动曲线示意图表观剪切粘度不是材料不可逆形变难易程度的真正度量，只是对流动性好坏做一个相对的大致的比较。真正的粘度对应的是不可逆的粘性流动部分，而表观粘度还包括了可逆的弹性形变部分。按公式计算的表观粘度值比材料的真实粘度低微分粘度,稠度单位2.3.2第一、第二法向应力差系数定义、单位是粘弹性流体流动时弹性行为的主要表现

5、高分子液体的法向应力差随剪切速率变化的一般规律第一法向应力差系数随剪切速率的变化规律与粘度曲线相似图2-11高分子溶液和熔体的第一、二法向应力差随切变速率变化的一般规律图2-12聚苯乙烯的表观粘度、动态粘度、动态剪切模量和第一法向应力差对切变速率或角频率的依赖关系图2-13第一法向应力差和第一法向应力差系数与切变速率的关系2.3.3拉伸粘度函数稳态单轴拉伸粘度Trouton粘度高分子液体拉伸粘度随拉伸应力的变化规律有多种类型当一种材料的拉伸粘度随拉伸速率的增大而增大，则这种材料的纺丝过程将变得容易和稳定图2-14高分子溶液和溶体拉伸粘度对拉伸应力关系的三种类型，以及和切变粘度对切

6、应力关系的比较2.4.1Bingham塑性体2.4非牛顿型流体的分类*图2-16宾汉流体的流动曲线宾汉塑性体的流动方程：普通Bingham流体非线性Bingham流体Herschel-Bulkley流体举例：牙膏、油漆填充高分子体系：炭黑填充橡胶体系2.4.2假塑性流体主要特征流动很慢时，剪切粘度保持常数；随着剪切速率的增大，剪切粘度反常地减小。典型高聚物的流动曲线：第一Newton区零切粘度零切粘度是材料最大的Newton粘度，可作为材料常数看待，是温度和分子量的函数。假塑性区是高分子材料加工的典型流动区第二Newton区无穷剪切粘度图2-17假塑性高分子液体的流动曲线几个描述

7、高聚物液体粘度变化规律的经验方程：1)Ostwald-deWale幂律方程流动指数幂指数nn与1的差值，反映了材料非线性性质的强弱。一般橡胶材料的n值比塑料的要小些。影响n值的因素温度下降，剪切速率升高，分子量增大，填料量增多等，都会使材料的非线性增强，n值下降。填入软化剂、增塑剂则使n值上升。幂律方程的缺陷：物理意义不明确，不能描写材料的弹性、适用的剪切速率范围较窄。2)Carreau方程既反映高剪切速率下的假塑性，又反映低剪切速率下的牛顿性。能够描写比幂律方程范围更广的流动性