流变学理论研究

流变学(Rheology)是一门从宏观层面描述物质在外力作用下的流动和变形规律的学科。由美国拉法耶特(Laffayette)学院的Bingham教授及其同事Reiner于年创立。Barns等人介绍了流变学知识，指出：流变学是一门介于化学、力学、物理与工程科学之间的新兴交叉学科，非牛顿流体等在一定条件下可以流动的固体是其主要的研究对象，其性质不能用经典的粘弹性理论来进行解释。这些物质在某一特定温度下不能用单一的粘度来表示，而受其他一些因素的影响。

流变学的主要研究内容

包括：流变模型、流变测量以及复杂流体的流动行为等。流变学经过多年的发展，如今已经在化工、地球物理、岩土工程、药剂和食品等领域得到广泛的应用，形成了化工流变学、高分子流变学等。

流变学的主要研究对象

包括：非牛顿流体和粘弹性物料。

(1)非牛顿流体：指不满足牛顿黏性定律的流体。非牛顿流体的粘度通常不是定值而是变化的。非牛顿流体具有很多特殊的性质，例如射流胀大、无管虹吸、剪切稀化、拔丝、湍流减阻等。其中令人比较感兴趣的一点就是：部分非牛顿流体具有弹性的特性，也被称为粘弹性流体。当旋转杆插入粘弹性流体中时，流体将爬升到杆上，使液体表面呈凸形。

在我们的生活、生产和大自然之中，广泛存在非牛顿流体，例如牙膏、水煤浆、泥浆、石油、油漆等。对于非牛顿流体的剪切应力τ与剪切速率γ之间的关系可以表示为τ=f(γ)。剪切应力与剪切速率的比值称为表观粘度，通常用μ或η来表示。

(2)粘弹性物料：指同时具有黏性和弹性的物料。粘弹性物料是既具有弹性变形又具有黏性流动的物体。“弹性形变”是指短暂的可以恢复到其原始形状的形变。而“粘性流动”是指持续的不能恢复到其原始状态的形变，也被称为“流变”。过去，谈到固体时，一般是指仅具有弹性形变的物体；谈到流体时，一般是指仅有黏性流动的流体。实际上，有很多物体同时具有这两种性质。

流变学的研究方法

无论是固体还是液体，流变学的主要研究方法有以下两种：一种是将流体看作为连续介质来研究，利用连续介质力学的数学方法对其进行研究，这已经成为流变学中最重要的方法之一，称为连续介质流变学。因为这种方法没有将流体的内部微观结构考虑到进去，因此这种流变学的研究方法也被称为为宏观流变学。

另外一种方法是考虑物料内部结构，通过研究流体宏观流变特性与流体的微观、亚微观内部结构之间的关系，这种方法被称为结构流变学或微观流变学。连续介质力学的方法用于处理流体的流变学问题，在一定程度上可以简化了处理过程。

粉体流变学研究

一些学者尝试将描述牛顿流体和非牛顿流体的传统流变学理论扩展至粉体领域的研究。Barois-Cazenave和Marchal利用改进的十字形转子流变仪，采用流变学的方法来研究处于不同状态下粉体的流动行为。该类流变仪主要由承装样品的圆柱形容器和十字形的旋转转子构成。这样的几何结构的优势是将壁面—粉体摩擦由粉体的之间的摩擦所代替，避免了样品内部滑移现象的产生。样品容器底部由可以提供纵向运动的振动膜所代替。轴向振动的作用，首先使颗粒之间有更好的空间重新分配，可以阻止空洞的形成并且改善实验的重复性；另一方面，振动创造了一个宏观的布朗运动。

十字形转子流变仪示意图

粉体流变模型

松散的粉体受轻微外力就能流动，在压制过程中不仅发生弹、塑性即刻变形，也有随时间逐渐变化的黏性变形，表现出应变推迟、压制蠕变、应力松弛、弹性后效和粉末内耗等流变特性。而经典塑性理论将粉体视为弹塑性体，仅考虑弹性变形和塑性屈服，忽略了其流变特性。

近几十年来，在粉末、岩石、土、矿物、高分子等松散材料的研究中，人们发现存在普遍的时间效应，于是涌现出流变学的理论。流变学方法是将松散介质视为流变体，采用流变理论分析粉体压制成形中的流动和变形行为。流变模型能对粉体的应力松弛、应变推迟等流变行为及压制工艺对密度的影响做出定性和定量解释，更进一步揭示粉体成型的物理本质，具有明显的理论优越性。

流变模型的建立方法灵活，有通过实验数据经验地给出应力、应变和时间关系的经验法，采用统计力学模型的分子理论处理法，及严格的演绎处理法。其中，通过非线性弹体、线性弹体、非线性黏体、线性黏体、宾汉体等基本组元的串并联组合来建立粉体的非线性的流变模型，是较常用的方法。

陈振华等将非线性弹体、非线性黏体组元并联，考虑粉体弛豫和大应变特征，提出一种非线性粘弹模型。郭彪首次建立了粉末锻造和烧结Fe-0.5C-2Cu合金的高温流变本构模型并嵌入DEFORM软件，实现了粉末锻造模拟优化。

流变学理论将与时间相关的黏性行为考虑在内来构建粉体的本构模型，同时体现了粉体的固体和流体特性。基于弹黏塑性体假设，将材料的弹性、塑性和黏性融合而构建起来的黏弹塑本构模型能更全面、真实地反应粉体的力学性质。但冷压时粉体黏性不明显，采用流变学理论反而会使建模复杂化，故该理论更适合粉末温压、热等静压、高速压制等涉及高温、动压的情况。

虽然目前流变学模型种类、设计思路灵活，但是考虑非线性流变因素的力学方程数学形式复杂，数值求解困难，且求解后定量预测能力有限。因此，适于粉体压制过程的流变学模型和数值算法仍有待开发和完善。