非牛顿流体-中国流变网

流变学简介

流变学是一门介于力学、化学、物理与工程科学之间的新兴交叉学科,是物理学的一个分支，它主要研究材料在外界作用(应力、应变、温度、电场、磁场、辐射等)下的变形和流动的科学。这里所说的材料既包括流体形态，也包括固体形态的物质。在常温常压下，物质可分为固体、液体和气体三种状态；特殊情况下，还有等离子态和超固态。气体和液体又合称为流体。

从力学分析的角度，通常认为流体与固体的主要差别，在于它们对于外力的抵抗能力不同。固体有能力抵抗一定大小的拉力、压力和剪切力。当外力作用在固体上时，固体将产生一定程度的相应变形。固体静止时，可以有法向应力和切向应力。而流体在静止时，则不能承受切向应力，微小的剪切刀将使流体产生连续不断的变形。只有当剪切力停止作用时，流体的变形方会停止。流体这种在外力作用下连续不断变形的宏观性质，通常称为流动性。

虎克弹性固体力学

一般认为，英国物理学家虎克于1678年首先提出了，在小变形情况下，固体的变形与所受的外力成正比。这一弹性体变形与应力关系的基本规律，后来称为虎克定律。

牛顿流体力学

英国科学家牛顿在1687年最先提出了流体的应力和应变率成正比，后来将此称为牛顿黏性定律，并将符合这一规律的流体称为牛顿流体，其中包括最常见的流体—水和空气，而将不符合这一规律的流体称为非牛顿流体。

上述两定律是在17世纪发表的，但直到19世纪末才由柯西、纳维、斯托克斯等人推广到三维变形和流动，并为科学界广泛接受。从那以后，虎克弹性固体力学和牛顿流体力学随着它在许多工程分支学科中的应用，而得到巨大的发展。但是流变学通常并不包括对上述两种情况的研究，流变学要研究更加复杂的材料。

流变学的诞生

1928年雷纳应邀从巴勒斯坦到美国访问，与印地安纳州Lafayette学院的宾汉（Bing ham E C 1878～1945）教授一起工作。宾汉对雷纳说，我（一个化学家）和你（一个土木工程师），一起工作解决共同的问题，随着胶体化学的发展，这种工作方式将会变得很平常，因此需要建立一个物理学科的分支来处理这类问题。雷纳告诉宾汉，这样的分支是存在的，并且作为连续介质力学而被人们所认识。宾汉认为这样做不好，会吓跑化学家，需要给它起一个新的名字。

宾汉请教了一位担任古典文学教授的同事，根据公元前6世纪古希腊哲学家赫拉克利特（Heraclitus）“一切皆流”的说法，提出了“流变学”（Rheology）这个名字。Rheo

一词来源于希腊语Rheos（流动）之意。Rheology的中文译名没有简单地译成流动学，而是创造性地译成流变学，既有流动，又有变形。

宾汉于1928年在美国提议成立了流变学会（Rheological Society），研究材料的变形和流动。1929年召开了流变学会的第一次会议，并创办了《流变学杂志》。

这个流变学杂志，在1933年后曾停止出版；1957年作为《Transactions of Socie ty of Rheology》重新出版；1978年又恢复其最初的名字《流变学杂志》（Journal of R heology）。

宾汉是流变学的奠基人。他研究了悬胶、油漆、水泥等一些材料的流变特性，写了一系列论文，特别是在1919年和H.格林联合发表的论文“油漆是一种塑性材料而不是黏性流体”，该文指出，油漆在剪切应力较小时，剪切应变率为零（或不发生流动），只有在剪切应力超达过临界值（即屈服应力）时，才发生流动，这时应变率和应力与屈服应力之差成正比。后来人们将具有这种流变规律或本构关系的材料或物质，称为黏塑性材料或宾汉塑性材料（简称宾汉体）。Eg:除油漆外，石膏、悬胶、面粉团，水泥砂浆等均可作为宾汉体来处理。圣维南的塑性流动材料和牛顿流体，均可作为宾汉体的特殊情况，前者的流动速度为零，后者的屈服应力为零。

直到第二次世界大战爆发以前，美国流变学会仍是世界上唯一的流变学会。1939年，荷兰皇家科学院成立了以J.M.伯格斯为首的流变学小组。1940年，英国成立了流变学家俱乐部。

1945年12月国际科学联合会（International Council of Scientific Unions）组织了一个流变学委员会。1947年在冯卡门主席的主持下举行了第一次会议，代表们来自物理、化学、生物科学、大地测量、空气物理、理论和应用力学的国际联合会。委员会的职能是：对流变学的专门名词进行命名；对流变学的论文进行摘要；组织国际流变学会议等。1968年前，国际流变学会议每5年举行一次。1968年以后，每4年举行一次。第15届国际流变学会议是2008年8月在美国举行的。

1973年国际流变学委员会被接纳为国际纯粹和应用化学联合会的分支机构。

1974年国际流变学专业委员会被接纳为国际理论和应用力学联合会的分支机构。

流变学的研究对象

流动的固体—流变学的研究对象之一

流动的固体，是指弹性形变与黏性流动同时存在的物体。“弹性形变”是指短暂的、能恢复原状的形变。而“黏性流动”是指持续的、不能恢复原状的形变，它也被称为“流变”。过去一般谈固体时，是指只有弹性形变的物体；谈到流体时，是指只有黏性流动的流体。实际上，同时具有这两种性质的物体是很多的。

用钢棒和沥青棒作如下的实验：将钢捧放在两支点上，棒的正中间放一重物，此时钢棒弯了；当重物取走时，弯曲了的钢棒能完全恢复原状如下图a。钢棒此时是弹性形变。将沥青棒放到两支点上，如下图b那样，中间也放一重物。重物放置一段时间后取走，沥青捧稍恢复了一点，但并没恢复原状，还是弯的。这里的沥青棒，除有弹性形变外，己有了流变。如在沥青棒中间用手快速按一下，抬起手后，它能恢复原状，表现出很好的弹性。但若手按下较长时间再抬起，就己不能恢复原状。同是一根沥青捧，迅速按一下，它是弹性体；较长时间地按，又显现有流体的性质。

实际上很多物体，当外力作用的时间小于某一时间时，物体表现出弹性；当外力作用的时间大于这一时间，物体就会流变。这个时间就叫做物体的“缓和时间”。“缓和时间”是一个时间阈值，当外力作用时间超过此阈值时，物体的弹性就会“缓和”而产生流变。弹性体与流体之所以不同，也可认为只是其缓和时间不同而已。缓和时间无限长的物体，是理想的弹性体；缓和时间等于零的物体是理想的流体。具有弹性和黏性混合性质的物体，其缓和时间既不为零，也不是无穷大，它们就是可流动的固体，或者是有弹性的流体。

固体表现出流动的性质，除了外力作用时间的因素外，还有温度的因素。当温度不断升高时，大部分物体都会要流变，表现出流体的性质。