一、流变学是什么

流变学

rheology

研究物质或材料流动和变形的科学。流变学是由力学、化学、工程学的交叉和综合而产生的边缘学科。为了研究高聚物材料的物理性质，美国化学工程师 E.C.宾汉 1929年首先提出了流变学的概念。流变学的主要任务是通过实验或理论方法建立上述物质或材料的本构关系，并应用本构关系及动量、质量和能量守恒关系研究物质或材料的流动和变形规律。

研究对象包括非牛顿流体、粘弹性固体和流体与固体之间的物质（如悬浮体）。

①非牛顿流体。不满足牛顿粘性定律的流体。在这种流体的纯剪切流动中，流体任一点的剪应力都不同剪切变形速率呈线性函数关系。非牛顿流体可分为4类：无弹性变粘度流体，具有屈服应力的流体，粘弹性流体，具有时效的流体。非牛顿流体的本构方程为非线性；具有弹性的流体，在剪切流动中，其法应力差不为零。非牛顿流体通常具有复杂的内部结构，如高分子链、悬浮固体颗粒、蜡晶结构、气泡、纤维和血球等。在变形运动中，其内部结构的复杂动力学响应导致流体宏观力学性质的非线性。非牛顿流体的性质不仅与其组分有关，而且与其变形运动和形态有关。自然界和人工合成的大部分流动性物质都属于非牛顿流体，如聚合物流体、原油泥浆、血液、食品原料、化妆品和纸浆等。

②粘弹性固体。既具有弹性性质又具有粘性性质的物质。由于具有弹性，可把外力做功的一部分转化为存储在物质内部的应变能；又由于具有类似于流体的粘性，可通过内摩擦而消耗掉另一部分外力做的功。高温下的金属材料、长时间受力的混凝土和岩土材料甚至玻璃、生物材料、许多高分子聚合物都能表现出粘弹性物质的力学行为，其基本特征是变形的时间相关性。蠕变和应力松弛是粘弹性物质的典型静态流变行为；在短时载荷或高应变率（见应变）下，粘性物质又表现出较强的速率敏感性。粘弹性固体和流体的本构方程无原则区别，但其力学行为不同，如两者的力学性能试样和实验方法不同，在长时剪切载荷作用下固体方能达到平衡状态，许多固体呈现各向异性，等等。有的模型如麦克斯韦模型、宾汉粘塑性模型主要用于表现流体行为，而沃格特-开尔文模型、标准线性固体主要表现固体行为。

理论应用统计力学方法研究材料微观结构与宏观流变性质之间的关系，形成了流变学的分子理论；从连续介质的观点研究材料流变性质，形成了流变学的连续介质力学理论。理性力学的基本原理是现代流变学的基础。它把各类物质作为连续介质统一考察，与张量分析和泛函分析有机结合，将流变学理论提至新的高度。流变学的基本原理和理论应用于各领域，产生了一系列流变学新分支，除了高分子流变学外，还有生物流变学、冶金流变学、石油工程流变学、土壤流变学、食品流变学、环境流变学、泥浆流变学和心理流变学等。

聚合物液体分子运动论是用非平衡态统计力学方法研究聚合物液体微观分子结构与其宏观流变性质之内在联系的学科分支，又称流变学的分子理论、结构流变学或流体力学的结构理论。该理论由3部分组成：①建立分子模型，用适当的力学系统（如珠簧模型、网络模型和蠕动管原始链模型等）作为聚合物液体的微观力学模型。②确定微观统计系综，得到系综分布函数。③建立应力张量的系综平均表达式，并由此导出描述聚合物液体宏观力学性质的本构方程。聚合物液体分子运动论是研究粘弹性流体本构方程的一条重要途径。相空间理论、聚合物液体分子网络理论和陶益-爱德华兹理论是发展得较完善的3种流变学的分子理论。

二、***流变***是什么意思

流变学是研究在外力作用下，物体的变形和流动的学科。1920年利哈伊大学教授尤金·宾汉正式提出这一名称，来源于赫拉克利特的经典名言“一切皆流”

为了研究力引起的变形，流变学有实验与理论模拟两个互相促进的途径。试验方面采用多种流变仪，比如毛细管流变仪来测量在不同剪切应力作用下，流体粘度、流速等的变化，再进行分析，从中得出该物质的模量、分子量等重要性质。医学检查上常用的血流变测定也是此原理。也可以通过流变仪模拟流体在注射等成型过程中所受的应力和流体的变形，使得流变学成为研究高分子加工过程所必需的内容。

理论模拟是通过实验数据提出符合此类物质的物理背景，将其与普适的数学模型相结合。目标是可以通过数学计算描述流体运动。其物理背景较为复杂，对于纯弹性物体，可以用胡克定律来描述，即应力与应变成正比。对于牛顿流体，可以用应力＝粘度×应变速率来描述。但是现实中的固体存在不符合胡克定律的塑性变形，液体也全是非牛顿流体。特别对于高分子，具有粘弹性性质，情况复杂。其数学模型主要借助于连续介质力学。目前对于一般流体的简单流动，理论模拟效果较好，但是对于复杂流道，由于存在很多复杂的边界效应，目前的计算能力还无法给出比较好的结果，这也成为近来流变学研究的重要方向。

流变学作为一门研究物质流动与变形的学科，与化学特别是胶体化学、高分子化学密切相关。随着三大合成材料工业的不断发展，近年来流变学研究也迅速发展起来，世界各国尤其是各工业发达国家纷纷成立了流变学会，如英国、德国、法国、荷兰、瑞典、日本、墨西哥、加拿大等。由于流变学具有交叉边缘学科的特点，因此它的应用范围相当广泛。

在石油、石化行业中的应用

由于从原油开采技术，如三次采油、完井等，到原油储运、短线运输、酸化压裂、聚合物压裂以及清洁胶束压裂液，无不与流变学有关。因此，流变学在该行业得到了广泛重视，并得到了良好的普及。

强化采油新打的油井能保持一定的压力，自喷出一部分原油，但当油井压力开始下降时，二次采油即将开始。注水时在油水界面容易产生粘性指进现象，不利于采油，此时尚有50％的原油未能采出。强化采油即三次采油的潜力很大。三次采油的方法之一为高分子溶液灌注，所选材料有较柔性的聚丙烯酰胺和较刚性的黄原胶，虽然它们在剪切流场中行为相似，但在拉伸流场中则迥然不同，这点必须用流变学的观点判断清楚。

聚合物加工通常聚合物必须经过再加工才能应用，而加工又分为注塑、挤出、压延、吹塑、纺丝等过程。但是，不管什么形式的加工，其中都充满了流变学的问题。欧美等工业发达国家均有专家专门研究聚合物加工发达国家均有专家专门研究聚合物加工流变学，每年还召开年会进行学术交流。由于国外已经开发出以流变学为基础计算机设计应用软件，因此，可以制造出大型塑料汽车铸件和大型飞机机身铸件。

农用薄膜的制造通常采用吹塑工艺。吹塑主要是通过聚合熔体进行，即熔体以管或泡的形式从挤压机出来后拉成薄膜，使其达到终的厚度和分子取向。此时原料的拉伸粘度很明显是重要的流变参数。所以，流变学中拉伸粘度的测定被认为是具有工业重要性的研究，也就不足为奇了。

润滑油制造润滑油中添加高分子稠化剂的目的是为了降低粘度随温度激烈变化的程度，使其在高温时可以保持良好的动力润滑，低温时也不会有过多的磨损。汽车用油的粘度用等级来代表，采用流变添加剂可制成满足多种等级需要的汽油。添加剂可以使基础油的粘度增加3倍以上。在润滑油中可以测出粘弹性效应，但是润滑剂流变学认为，粘弹性和增大的粘度均有利于支撑负荷。

在医*领域中的应用

生物流变学如果说传统的流变学是应工业需要发展起来的，那么，生物流变学则是随着生命科学的发展应运而生的。在生物流变学中目前研究广泛深入的是血液和血管流变学，是现代医学和理工科学之间的一门重要边缘学科。

此外，还应用在临床医学、制*等领域。

在轻工领域中的应用

轻工产品如牙膏、化妆品、清洁剂中必须用流变学指标控制质量和调节配方。以牙膏为例，人们使用牙膏时挤出要容易，挤出后要求挺括，在牙刷上不能下陷，刷牙时又要轻松，这就是要求牙膏遇剪时粘度迅速下降，而静止时又要具备一定的屈服应力，以保持坚挺。

我国流变学的应用研究起步较晚，20世纪60年代还只有个别自发研究，目前的应用研究领域较少，甚至连流变学赖以发展的聚合物加工行业也知之不多。以塑料制品为例，塑料厂引进的模具“吃”进口的聚合物粒子时，制品光滑、美观，可以和国外的同类产品相媲美，而一旦换成国产原料粒子时，产品质量就下降。这是因为所使用的模具是按国外原料的流变性能设计的，而国产原料的流变性与进口原料并不完全相同，所以制品质量下降。尽管生产厂对模具进行完善修改，但也只是凭经验做机械上的改动，并未考虑到粒子的流变性。

目前，流变学应用研究在我国远未普及，更谈不上发挥它应有的作用。为加强我国流变学的研究，建议相关部门在政策上对流变学这类交叉学科予以扶持，同时在高校尤其是重点高校的有关专业，如化学工程、聚合物加工等，开设流变学课程，特别是对硕士、博士研究生等高级研究人才的培养更为迫切和重要。

三、岩浆的流变学性质

从热力学的角度来看，岩浆体系是一个复杂的物理化学体系，岩浆的结晶和演化要受物理化学规律（如前述的相律原理、鲍文反应原理等）的制约。而从流体动力学角度来看，岩浆是一种粘性流体，许多岩浆作用过程（如上升、侵位、晶体分异和岩浆对流分层等）也是一种流体动力学过程，因此粘度（η）、密度（ρ）和屈服强度（σ0）是描述粘性流体动力学性质的动力学参数，对岩浆的流体动力学过程具重要影响。

岩浆的粘度η是指剪切应力σ与应变速率 d e/d t的比值，对于图 10-1所示的岩浆在平板间运动的情况，粘度也可以用下式表示：

图10-1岩浆在平板间的流动特点

岩石学

粘性流体又分牛顿流体和非牛顿流体两类，牛顿流体的η与σ无关，其特点是只要有剪切应力，就会发生塑性流变。晶体含量少的岩浆，可近似视为牛顿流体。非牛顿流体（如宾汉姆流体）的特点是，只有施加的剪切应力超过某一临界值σ0时，才开始持续的流动和变形，σ0称为屈服强度。当岩浆中晶体含量增加时，就会变为非牛顿流体。

岩浆的粘度大小与岩浆的成分、温度、晶体含量、压力等因素有关，可以通过实验方法测定，也可以通过经验公式计算（Shaw，1972）：

岩石学

式中T为热力学温度（K），s为特征斜率，Xi为除SiO2以外的各主要氧化物的摩尔分数；为 SiO2的摩尔分数；为各主要氧化物的经验摩尔系数（表10-1）。

晶体含量对粘度的影响可由爱因斯坦-罗斯科方程计算，以η0代表无晶体时岩浆的粘度，ηe代表含晶体岩浆的有效粘度，X表示晶体的体积分数，有：

岩石学

表10-1岩浆中主要氧化物的经验摩尔系数

含晶体较多的岩浆的屈服强度与晶体（球状）的含量具以下关系：

岩石学

式中k1为应力量纲常数，对基性岩浆来说，k1=3×103Nm-2（马昌前，1988），而花岗质岩浆k1值可能为基性岩浆的100倍。

表10-2主要氧化物偏摩尔体积与温度关系的小二乘方程Vi=a'+b'T（K）

也有人认为晶体的含量与屈服强度之间不存在简单的关系。Kerr等（1991）则提出，如果晶体的含量很低，以至晶体间互不接触，则即使岩浆的粘度很大，也不会有屈服强度，只有当晶体含量很高，致使互相接触时，才有屈服强度。

岩浆的密度在岩浆演化过程中所起的作用，我们在岩浆的分凝和上升机制的学习中已有认识，在岩浆的演化过程中，密度是晶体的重力分异、岩浆房中的对流分层和某些岩浆混合机制的主要制约因素。

在已知岩浆的化学成分（可由岩石样品的化学分析得到）的情况下，岩浆的密度可用Bottinga等（1970）提出的公式计算：

岩石学

式中Vi为主要氧化物i的偏摩尔体积（可据表10-2求出），Xi为氧化物i的摩尔分数（由化学分析数据换算），Mi为i元素的摩尔质量，Vm为岩浆的摩尔体积。