聚合物流变学

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1、聚合物流变学的学习与心得体会通过一学期的聚合物流变学的学习，使我对其有了初步的了解。现在针对平时学习笔记和课后浏览相关书籍所获知识进行总结。一、聚合物流变学学习内容1.流变学中的基本概念流变学是研究材料的流动和变形规律的科学，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。聚合物随其分子结构、分子量的不同，以及所处温度的不同，可以是流体或固体，它们的流动和变形规律各不相同，也即有不同的流变性能。聚合物流变学是研究聚合物及其熔体的变形和流动特性。1.1粘弹性流体特性及材料流变学分类粘性流体的流动是：变形的时间依

2、赖性；变形不可恢复（外力作的功转化为热能）；变形大，力与变形速率成正比，符合Newton's流动定律。根据经典流体力学理论，不可压缩理想流体的流动为纯粘性流动，在很小的剪切应力作用下流动立即发生，外力释去后，流动立即停止，但粘性形变不可恢复。切变速率不大时，切应力与切边速率呈线性关系，遵循牛顿粘性定律，且应力与应变本身无关。流体→流动→粘性→耗散能量→产生永久变形→无记忆效应根据经典固体力学理论，在极限应力范围内，各向同性的理想弹性固体的形变为瞬时间发生的可逆形变。应力与应变呈线性关系，服从胡克弹性定律，且应力与应变

3、速率无关。固体→变形→弹性→储存能量→变形可以恢复聚合物流动时所表现的粘弹性，即有粘性流动又有弹性变形，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。材料流变学分类其中非牛顿流体基本变形方式：拉伸（压缩）、剪切、膨胀。1.2高分子流体的粘弹性（1）即有粘性流动又有弹性变形，粘弹性流体的流动是一种有可恢复形变的流动，具有流体和固体的双重性质。（2）应力（应变）取决于应变（应力）历史，而不是应变（应力）的瞬时值。即应力（应变）相应具有时间依赖性。（3）流动过程中表现出的粘弹性偏离胡克定律和牛顿

4、定律，模量和粘度强烈的依赖于应变（应变速率），应力与应变（速率）之间呈现非线性关系。1.3流变学力学基础聚合物流动时，其内部的应力状态十分复杂，既存在剪切应力，还存在法向应力，各个不同方向上的应力值不等。为了正确的研究聚合物的非线性粘弹性行为，借助于线性理论的概念进行讨论，定义流变学研究中的基本物理量：应力张量、偏应力张量、形变张量、形变率张量、速度梯度张量，以及基本流变学函数：剪切粘度，第一、二法向应力差函数，拉伸粘度等。（1）应力和应力张量物体在外力或外力矩作用下会产生流动或形变，同时为抵抗流动或形变，物体内部产

5、生相应的应力。牛顿流体的应力状态比较简单，但是聚合物流动过程中既有粘性形变，又有弹性形变，其内部应力状态相当复杂，要全面描述非牛顿流体内部的粘弹性应力及其形变，则需要引入应力张量。剪切应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），于是应力张量可以完整的描述粘弹性物体在流变过程中的复杂内应力状态。应力张量一般表达式：（2）偏应力张量根据力的性质不同，应力张量可以分解表示。其中最常见的一种分解形式如下：=式中：称偏应力张量，P为各向同性压力。处在任何状态下的流体内部都具有各向同性压力。由此表明

6、，应力张量可以分解为各向同性压力和偏应力张量两部分。偏应力张量是应力张量中最重要的部分，直接关系到物体流动和形变。与应力张量相似，偏应力张量也是对称张量，只有六个独立分量。三个为法向应力分量：（i=1，2，3），三个为剪切应力分量：，，。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。定义两个法向应力差函数来描写材料弹性形变行为：第一法向应力差：第二法向应力差：N1、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

7、态和粘弹性。（3）形变和形变张量形变是物体在平衡外力或外力矩作用下发生形状和尺寸的变化。实际物体的形变往往是这些简单形变的复杂组合。高分子液体流动中发生的主要形变方式有剪切、拉伸、压缩及其组合。设在t1,t2时刻物体分别占有空间位形1、位形2。在t1时刻物体内的任一线元dX，在t2时刻占据的空间位置变为dx，则定义t1,t2时刻间，物体内发生的形变梯度为：F称形变梯度张量，这是一个二阶张量。用分量式展开来写，记为：从应力张量的性质看，应力张量和偏应力张量都是对称张量，由此可见与其相对应的形变度量也应该是对称张量。形变

8、张量分为Cauchy-Green形变张量和Finger形变张量。Cauchy-Green形变张量，定义为，式中为F的转置张量，。Finger形变张量，定义为式中为F的逆张量。当，有。另外上式中还利用了张量的性质：。（4）速度梯度，形变率张量流动过程中，与流体应力状态相关的更重要物理量是形变进行的速率，它与流动场中的速度梯度密切相关。设在某瞬时位