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流變學(xué)理論研究

流變學(xué)(Rheology)是一門從宏觀層面描述物質(zhì)在外力作用下的流動(dòng)和變形規(guī)律的學(xué)科。由美國(guó)拉法耶特(Laffayette)學(xué)院的Bingham教授及其同事Reiner于1928年創(chuàng)立。Barns等人介紹了流變學(xué)知識(shí)，指出：流變學(xué)是一門介于化學(xué)、力學(xué)、物理與工程科學(xué)之間的新興交叉學(xué)科，非牛頓流體等在一定條件下可以流動(dòng)的固體是其主要的研究對(duì)象，其性質(zhì)不能用經(jīng)典的粘彈性理論來(lái)進(jìn)行解釋。這些物質(zhì)在某一特定溫度下不能用單一的粘度來(lái)表示，而受其他一些因素的影響。

流變學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容

包括：流變模型、流變測(cè)量以及復(fù)雜流體的流動(dòng)行為等。流變學(xué)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，如今已經(jīng)在化工、地球物理、巖土工程、藥劑和食品等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，形成了化工流變學(xué)、高分子流變學(xué)等。

流變學(xué)的主要研究對(duì)象

包括：非牛頓流體和粘彈性物料。

(1)非牛頓流體：指不滿足牛頓粘性定律的流體。非牛頓流體的粘度通常不是定值而是變化的。非牛頓流體具有很多特殊的性質(zhì)，例如射流脹大、無(wú)管虹吸、剪切稀化、拔絲、湍流減阻等。其中令人比較感興趣的一點(diǎn)就是：部分非牛頓流體具有彈性的特性，也被稱為粘彈性流體。當(dāng)旋轉(zhuǎn)桿插入粘彈性流體中時(shí)，流體將爬升到桿上，使液體表面呈凸形。

在我們的生活、生產(chǎn)和大自然之中，廣泛存在非牛頓流體，例如牙膏、水煤漿、泥漿、石油、油漆等。對(duì)于非牛頓流體的剪切應(yīng)力τ與剪切速率γ之間的關(guān)系可以表示為τ=f(γ)。剪切應(yīng)力與剪切速率的比值稱為表觀粘度，通常用μ或η來(lái)表示。

(2)粘彈性物料：指同時(shí)具有粘性和彈性的物料。粘彈性物料是既具有彈性變形又具有粘性流動(dòng)的物體�！皬椥孕巫儭笔侵付虝旱目梢曰謴�(fù)到其原始形狀的形變。而“粘性流動(dòng)”是指持續(xù)的不能恢復(fù)到其原始狀態(tài)的形變，也被稱為“流變”。過(guò)去，談到固體時(shí)，一般是指僅具有彈性形變的物體；談到流體時(shí)，一般是指僅有粘性流動(dòng)的流體。實(shí)際上，有很多物體同時(shí)具有這兩種性質(zhì)。

流變學(xué)的研究方法

無(wú)論是固體還是液體，流變學(xué)的主要研究方法有以下兩種：一種是將流體看作為連續(xù)介質(zhì)來(lái)研究，利用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的數(shù)學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行研究，這已經(jīng)成為流變學(xué)中最重要的方法之一，稱為連續(xù)介質(zhì)流變學(xué)。因?yàn)檫@種方法沒(méi)有將流體的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)考慮到進(jìn)去，因此這種流變學(xué)的研究方法也被稱為為宏觀流變學(xué)。

另外一種方法是考慮物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過(guò)研究流體宏觀流變特性與流體的微觀、亞微觀內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，這種方法被稱為結(jié)構(gòu)流變學(xué)或微觀流變學(xué)。連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法用于處理流體的流變學(xué)問(wèn)題，在一定程度上可以簡(jiǎn)化了處理過(guò)程。

粉體流變學(xué)研究

一些學(xué)者嘗試將描述牛頓流體和非牛頓流體的傳統(tǒng)流變學(xué)理論擴(kuò)展至粉體領(lǐng)域的研究。Barois-Cazenave和Marchal利用改進(jìn)的十字形轉(zhuǎn)子流變儀，采用流變學(xué)的方法來(lái)研究處于不同狀態(tài)下粉體的流動(dòng)行為。該類流變儀主要由承裝樣品的圓柱形容器和十字形的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子構(gòu)成。這樣的幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是將壁面—粉體摩擦由粉體的之間的摩擦所代替，避免了樣品內(nèi)部滑移現(xiàn)象的產(chǎn)生。樣品容器底部由可以提供縱向運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)膜所代替。軸向振動(dòng)的作用，首先使顆粒之間有更好的空間重新分配，可以阻止空洞的形成并且改善實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性；另一方面，振動(dòng)創(chuàng)造了一個(gè)宏觀的布朗運(yùn)動(dòng)。

十字形轉(zhuǎn)子流變儀示意圖

粉體流變模型

松散的粉體受輕微外力就能流動(dòng)，在壓制過(guò)程中不僅發(fā)生彈、塑性即刻變形，也有隨時(shí)間逐漸變化的黏性變形，表現(xiàn)出應(yīng)變推遲、壓制蠕變、應(yīng)力松弛、彈性后效和粉末內(nèi)耗等流變特性。而經(jīng)典塑性理論將粉體視為彈塑性體，僅考慮彈性變形和塑性屈服，忽略了其流變特性。

近幾十年來(lái)，在粉末、巖石、土、礦物、高分子等松散材料的研究中，人們發(fā)現(xiàn)存在普遍的時(shí)間效應(yīng)，于是涌現(xiàn)出流變學(xué)的理論。流變學(xué)方法是將松散介質(zhì)視為流變體，采用流變理論分析粉體壓制成形中的流動(dòng)和變形行為。流變模型能對(duì)粉體的應(yīng)力松弛、應(yīng)變推遲等流變行為及壓制工藝對(duì)密度的影響做出定性和定量解釋，更進(jìn)一步揭示粉體成形的物理本質(zhì)，具有明顯的理論優(yōu)越性。

流變模型的建立方法靈活，有通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)地給出應(yīng)力、應(yīng)變和時(shí)間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)法，采用統(tǒng)計(jì)力學(xué)模型的分子理論處理法，及嚴(yán)格的演繹處理法。其中，通過(guò)非線性彈體、線性彈體、非線性黏體、線性黏體、賓漢體等基本組元的串并聯(lián)組合來(lái)建立粉體的非線性的流變模型，是較常用的方法。

陳振華等將非線性彈體、非線性黏體組元并聯(lián)，考慮粉體弛豫和大應(yīng)變特征，提出一種非線性黏彈模型。郭彪首次建立了粉末鍛造和燒結(jié)Fe-0.5C-2Cu合金的高溫流變本構(gòu)模型并嵌入DEFORM軟件，實(shí)現(xiàn)了粉末鍛造模擬優(yōu)化。

流變學(xué)理論將與時(shí)間相關(guān)的黏性行為考慮在內(nèi)來(lái)構(gòu)建粉體的本構(gòu)模型，同時(shí)體現(xiàn)了粉體的固體和流體特性。基于彈黏塑性體假設(shè)，將材料的彈性、塑性和黏性融合而構(gòu)建起來(lái)的黏彈塑本構(gòu)模型能更全面、真實(shí)地反應(yīng)粉體的力學(xué)性質(zhì)。但冷壓時(shí)粉體黏性不明顯，采用流變學(xué)理論反而會(huì)使建模復(fù)雜化，故該理論更適合粉末溫壓、熱等靜壓、高速壓制等涉及高溫、動(dòng)壓的情況。

雖然目前流變學(xué)模型種類、設(shè)計(jì)思路靈活，但是考慮非線性流變因素的力學(xué)方程數(shù)學(xué)形式復(fù)雜，數(shù)值求解困難，且求解后定量預(yù)測(cè)能力有限。因此，適于粉體壓制過(guò)程的流變學(xué)模型和數(shù)值算法仍有待開發(fā)和完善。

參考來(lái)源：

鄒佳興：基于壓差推動(dòng)的粉體料倉(cāng)下料過(guò)程強(qiáng)化研究

劉一：粉體體系堆積、流動(dòng)特性及其與顆粒間作用力關(guān)系研究

尤萌萌，等：粉末壓制過(guò)程數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀及展望

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