流變學(xué)的研究方法

流變學(xué)從一開始就是作為一門實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展起來(lái)的,因此實(shí)驗(yàn)是研究流變學(xué)的主要方法之一。它通過(guò)宏觀試驗(yàn),獲得物理概念,發(fā)展新的宏觀理論。例如利用材料試件的拉壓剪試驗(yàn),探求應(yīng)力、應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系,研究屈服規(guī)律和材料的長(zhǎng)期強(qiáng)度。通過(guò)微觀實(shí)驗(yàn),了解材料的微觀結(jié)構(gòu)性質(zhì),如多晶體材料顆粒中的缺陷、顆粒邊界的性質(zhì),以及位錯(cuò)狀態(tài)等基本性質(zhì),探討材料流變的機(jī)制。

對(duì)流體材料一般用粘度計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)。比如,通過(guò)計(jì)算球體在流體中因自重作用沉落的時(shí)間,據(jù)以計(jì)算牛頓粘滯系數(shù)的落球粘度計(jì)法;通過(guò)研究的流體在管式粘度計(jì)中流動(dòng)時(shí),管內(nèi)兩端的壓力差和流體的流量,以求得牛頓粘滯系數(shù)和賓厄姆流體屈服值的管式粘度計(jì)法;利用同軸的雙層圓柱筒,使外筒產(chǎn)生一定速度的轉(zhuǎn)動(dòng),利用儀器測(cè)定內(nèi)筒的轉(zhuǎn)角,以求得兩筒間的流體的牛頓粘滯系數(shù)與轉(zhuǎn)角的關(guān)系的轉(zhuǎn)筒法等。

對(duì)彈性和粘彈性材料的實(shí)驗(yàn)方法分為蠕變?cè)囼?yàn)、應(yīng)力松弛試驗(yàn)和動(dòng)力試驗(yàn)三種:

對(duì)材料進(jìn)行蠕變實(shí)驗(yàn)一般有對(duì)材料試件施加恒定的拉力,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(duì)材料施加恒定的剪力,研究材料的剪切蠕變性能;利用三軸儀,對(duì)材料試件施加軸向應(yīng)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(zhuǎn)流變儀,對(duì)材料試件施加恒定的扭力,研究材料的扭轉(zhuǎn)蠕變性能;以及在粱形試件上施加恒定的彎矩,研究材料撓度蠕變性能的彎曲法等。

應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)是將材料試件置于應(yīng)力松弛試驗(yàn)儀上,使試件產(chǎn)生一恒定的變形,測(cè)定試件所受應(yīng)力隨時(shí)間的衰減,研究材料的流變性能,也可以計(jì)算材料松弛時(shí)間的頻譜。這種試驗(yàn)也可在彎曲流變儀、扭轉(zhuǎn)流變儀、壓縮流變儀上進(jìn)行,此法適用于高分子材料和金屬材料。

除蠕變和應(yīng)力松弛這類靜力試驗(yàn)外,還可進(jìn)行動(dòng)力試驗(yàn),即對(duì)材料試件施加一定頻譜范圍內(nèi)的正弦振動(dòng)作用,研究材料的動(dòng)力效應(yīng)。此法特別適用于高分子類線性粘彈性材料。通過(guò)這種試驗(yàn)可以求得兩個(gè)物理量:由于材料發(fā)生形變而在材料內(nèi)部積累起來(lái)的彈性能量;每一振動(dòng)循環(huán)的能量耗散。動(dòng)力試驗(yàn)可以測(cè)量能量耗散和頻率的關(guān)系,通過(guò)這個(gè)規(guī)律可以與蠕變?cè)囼?yàn)比較分析,建立模型。

在上述的各種試驗(yàn)工作中,還要研究并應(yīng)用各種現(xiàn)代測(cè)量原理和方法,大型電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)對(duì)流變學(xué)領(lǐng)域的研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響,如對(duì)于非線性材料的大應(yīng)變、大位移的復(fù)雜課題已用有限元法或有限差分方法進(jìn)行研究。

隨著經(jīng)濟(jì)和工業(yè)化的發(fā)展,流變學(xué)將有廣闊的發(fā)展領(lǐng)域,并已逐步滲透到許多學(xué)科而形成相應(yīng)的分支,例如高分子材料流變學(xué)、斷裂流變力學(xué)、土流變學(xué)、巖石流變學(xué)以及應(yīng)用流變學(xué)等等。在理論研究上,已超出均勻連續(xù)介質(zhì)的概念,開始探索離散介質(zhì)、非均勻介質(zhì)以及非相容彈性介質(zhì)的流變特性。實(shí)驗(yàn)原理和測(cè)試技術(shù)的研究以及電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用,將在流變學(xué)的發(fā)展中顯示重要的地位和發(fā)揮巨大的作用。

流變學(xué)名詞中的一些中英文對(duì)譯

假塑性pseudoplastic

拉脹性auxiticity

牛頓流體Newtonian fluid

非牛頓流體non-Newtonian fluid

賓漢姆流體Bingham fluid

冷流cold flow

牛頓剪切黏度Newtonian shear viscosity

剪切黏度shear viscosity

表觀剪切黏度apparent shear viscosity

剪切變稀shear thinning

觸變性thixotropy

塑性形變plastic deformation

塑性流動(dòng)plastic flow

體積弛豫volume relaxation

拉伸黏度extensional viscosity

黏彈性viscoelasticity

線性黏彈性linear viscoelasticity

非線性黏彈性non-linear viscoelasticity

蠕變creep