作者：王振東    

　　流變學(xué)是研究材料的流動(dòng)和變形的科學(xué)，它是一門(mén)介于力學(xué)、化學(xué)、物理與工程科學(xué)之間的新興交叉學(xué)科。這里所說(shuō)的材料既包括流體形態(tài)，也包括固體形態(tài)的物質(zhì)。在常溫常壓下，物質(zhì)可分為固體、液體和氣體三種狀態(tài)；特殊情況下，還有等離子態(tài)和超固態(tài)。氣體和液體又合稱(chēng)為流體。從力學(xué)分析的角度，通常認(rèn)為流體與固體的主要差別，在于它們對(duì)于外力的抵抗能力不同。固體有能力抵抗一定大小的拉力、壓力和剪切力。當(dāng)外力作用在固體上時(shí)，固體將產(chǎn)生一定程度的相應(yīng)變形。固體靜止時(shí)，可以有法向應(yīng)力和切向應(yīng)力。而流體在靜止時(shí)，則不能承受切向應(yīng)力，微小的剪切刀將使流體產(chǎn)生連續(xù)不斷的變形。只有當(dāng)剪切力停止作用時(shí)，流體的變形方會(huì)停止。流體這種在外力作用下連續(xù)不斷變形的宏觀性質(zhì)，通常稱(chēng)為流動(dòng)性。

　　一般認(rèn)為，英國(guó)物理學(xué)家虎克于1678年首先提出了，在小變形情況下，固體的變形與所受的外力成正比。這一闡述彈性體變形與應(yīng)力關(guān)系的基本規(guī)律，后來(lái)稱(chēng)為虎克定律。英國(guó)科學(xué)家牛頓在1687年最先提出了流體的應(yīng)力和應(yīng)變率成正比，后來(lái)將此稱(chēng)為牛頓黏性定律，并將符合這一規(guī)律的流體稱(chēng)為牛頓流體，其中包括最常見(jiàn)的流體—水和空氣，而將不符合這一規(guī)律的流體稱(chēng)為非牛頓流體。上述兩定律是在17世紀(jì)發(fā)表的，但直到19世紀(jì)末才由柯西、納維、斯托克斯等人推廣到三維變形和流動(dòng)，并為科學(xué)界廣泛接受。從那以后，虎克彈性固體力學(xué)和牛頓流體力學(xué)隨著它在許多工程分支學(xué)科中的應(yīng)用，而得到巨大的發(fā)展。但是流變學(xué)通常并不包括對(duì)上述兩種情況的研究，流變學(xué)要研究更加復(fù)雜的材料。

　　流動(dòng)的固體—流變學(xué)的研究對(duì)象之一

　　流動(dòng)的固體，是指彈性形變與黏性流動(dòng)同時(shí)存在的物體。“彈性形變”是指短暫的、能恢復(fù)原狀的形變。而“黏性流動(dòng)”是指持續(xù)的、不能恢復(fù)原狀的形變，它也被稱(chēng)為“流變”。過(guò)去一般談固體時(shí)，是指只有彈性形變的物體；談到流體時(shí)，是指只有黏性流動(dòng)的流體。實(shí)際上，同時(shí)具有這兩種性質(zhì)的物體是很多的。

　　用鋼棒和瀝青棒作如下的實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖1）。將鋼捧放在兩支點(diǎn)上，棒的正中間放一重物，此時(shí)鋼棒彎了；當(dāng)重物取走時(shí)，彎曲了的鋼棒能完全恢復(fù)原狀（圖1a）。鋼棒此時(shí)是彈性形變。將瀝青棒放到兩支點(diǎn)上，如圖1b那樣，中間也放一重物。重物放置一段時(shí)間后取走，瀝青捧稍恢復(fù)了一點(diǎn)，但并沒(méi)恢復(fù)原狀，還是彎的。這里的瀝青棒，除有彈性形變外，己有了流變。如在瀝青棒中間用手快速按一下，抬起手后，它能恢復(fù)原狀，表現(xiàn)出很好的彈性。但若手按下較長(zhǎng)時(shí)間再抬起，就己不能恢復(fù)原狀。同是一根瀝青捧，迅速按一下，它是彈性體；較長(zhǎng)時(shí)間地按，又顯現(xiàn)有流體的性質(zhì)。

　　圖1鋼捧與瀝青捧的變形

   

　　實(shí)際上很多物體，當(dāng)外力作用的時(shí)間小于某一時(shí)間時(shí)，物體表現(xiàn)出彈性；當(dāng)外力作用的時(shí)間大于這一時(shí)間，物體就會(huì)流變。這個(gè)時(shí)間就叫做物體的“緩和時(shí)間”。“緩和時(shí)間”是一個(gè)時(shí)間閾值，當(dāng)外力作用時(shí)間超過(guò)此閾值時(shí)，物體的彈性就會(huì)“緩和”而產(chǎn)生流變。彈性體與流體之所以不同，也可認(rèn)為只是其緩和時(shí)間不同而已。緩和時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)的物體，是理想的彈性體；緩和時(shí)間等于零的物體是理想的流體。具有彈性和黏性混合性質(zhì)的物體，其緩和時(shí)間既不為零，也不是無(wú)窮大，它們就是可流動(dòng)的固體，或者是有彈性的流體。

　　固體表現(xiàn)出流動(dòng)的性質(zhì)，除了外力作用時(shí)間的因素外，還有溫度的因素。當(dāng)溫度不斷升高時(shí)，大部分物體都會(huì)要流變，表現(xiàn)出流體的性質(zhì)。

　　金屬由應(yīng)力引起的應(yīng)變隨時(shí)間變化的流動(dòng)現(xiàn)象，稱(chēng)為蠕變。通常，升高溫度或增加應(yīng)力會(huì)使蠕變加快并縮短達(dá)到斷裂的時(shí)間。金屬材料在恒拉應(yīng)力作用下，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間以后發(fā)生斷裂的現(xiàn)象，稱(chēng)作蠕變斷裂。在土木工程中，土地基的流變可延續(xù)數(shù)十年之久。地下隧道竣工數(shù)十年之后，仍可出現(xiàn)蠕變斷裂。固體材料的蠕變是流變學(xué)研究的重要課題。

　　現(xiàn)代工業(yè)需要耐高溫、耐蠕變的高質(zhì)量的金屬、合金、陶瓷和高強(qiáng)度的聚合物，因此與固體蠕變斷裂有關(guān)的流變學(xué)分支會(huì)迅速發(fā)展起來(lái)。核工業(yè)中核反應(yīng)堆和粒子加速器的發(fā)展，也為研究幅射產(chǎn)生的流變打開(kāi)了新的領(lǐng)域。

　　在地球科學(xué)中，人們很早就知道時(shí)間過(guò)程這一重要因素。當(dāng)觀察地質(zhì)斷面時(shí)，可以看到巖石有皺紋的褶曲結(jié)構(gòu)，這是巖石在流動(dòng)的證據(jù)。在幾億年的地質(zhì)年代里，巖層受著橫向的力而流變成褶曲形狀。在江西廬山蘆林橋附近，有一處“第四紀(jì)冰川遺跡”己立碑成為向旅游者展示巖石也在流動(dòng)的景點(diǎn)。有人曾測(cè)量計(jì)算過(guò)冰川的黏性，大約是混凝土的100萬(wàn)倍；而混凝土的黏性，大約是水的100億倍?？梢?jiàn)無(wú)冰川是多么“黏”，多么難于流動(dòng)，然而經(jīng)過(guò)幾千年、幾萬(wàn)年，終究還是在慢慢地向下流動(dòng)著。流變學(xué)為研究上地殼中有趣的地球物理現(xiàn)象（如冰川期以后的上升、層狀巖層的與褶皺、造山作用、地震成因以及成礦作用等）提供了物理-數(shù)學(xué)工具。對(duì)于地球內(nèi)部的過(guò)程，如巖漿活動(dòng)、地幔熱對(duì)流等，也可利用高溫、高壓巖石流變?cè)囼?yàn)來(lái)模擬，從而推動(dòng)了地球動(dòng)力學(xué)的研究。

　　圖2自然界中整個(gè)地質(zhì)年代里的蠕變，巖右的流動(dòng)尚在繼續(xù)中

   

　　圖3廬山第四紀(jì)冰川遺跡

   

　　非牛頓流體—流變學(xué)的研究對(duì)象之二

　　非牛頓流體是指不滿足牛頓黏性實(shí)驗(yàn)定律的流體，即其剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間不是線性關(guān)系的流體。非牛頓流體廣泛存在于生活、生產(chǎn)和大自然之中。

　　早在人類(lèi)出現(xiàn)之前，非牛頓流體就己存在，因?yàn)榻^大多數(shù)生物流體都屬于現(xiàn)在所定義的非牛頓流體。人身上血液、淋巴液、囊液等多種體液，以及像細(xì)胞質(zhì)那樣的“半流體”都屬于非牛頓流體。

　　近幾十年以來(lái)，促使非牛頓流體研究迅速發(fā)展的主要?jiǎng)恿χ唬蔷酆衔锕I(yè)的發(fā)展。聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯酰、尼龍6、PVS、賽璐珞、滌綸、橡膠溶液、各種工程塑料、化纖的熔體、溶液等，都是非牛頓流體。

　　石油、泥漿、水煤漿、陶瓷漿、紙漿、磁漿、油漆、油墨、牙膏、泡沫、液晶、泥石流、地幔、家蠶絲再生溶液、鉆井用的洗井液和完井液、感光材料的涂液、高含沙水流等都是非牛頓流體。

　　在食品工業(yè)中，非牛頓流體也相當(dāng)普遍。蛋清、煉乳、瓊脂、果醬、醬油、土豆?jié){、番茄汁、淀粉液、蘋(píng)果漿、濃菜湯、糖稀、熔化巧克力、面團(tuán)、米粉團(tuán)以及魚(yú)糜、肉糜等各種糜狀食品物料，也都是非牛頓流體。

　　總之，在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中常遇到的各種高分子溶液、熔體、膏體、凝膠、交聯(lián)體系、懸浮體系等復(fù)雜性質(zhì)的流體，差不多都是非牛頓流體。有時(shí)為了工業(yè)生產(chǎn)的目的，在某種牛頓流體中，加入一些聚合物，在改進(jìn)其性能的同時(shí)，也將其變成為非牛頓流體，如為提高石油產(chǎn)量使用的壓裂液、新型潤(rùn)滑劑等。

　　非牛頓流體有許多奇妙的特性，如射流脹大、無(wú)管虹吸、剪切變稀、拔絲、湍流減阻等，其中有一個(gè)使人感興趣的特性，就是部分非牛頓流體具有彈性，亦稱(chēng)為黏彈性流體。當(dāng)旋轉(zhuǎn)桿插入黏彈性流體時(shí)，流體將沿桿向上爬，液面呈凸形。

　　流變學(xué)的產(chǎn)生簡(jiǎn)史

　　流變學(xué)的誕生

　　1928年雷納從巴勒斯坦到美國(guó)訪問(wèn)，并且與化學(xué)家賓漢（Bingham EC 1878～1945）一起工作。賓漢對(duì)雷納說(shuō)，我（一個(gè)化學(xué)家）和你（一個(gè)土木工程師），一起工作解決共同的問(wèn)題，隨著膠體化學(xué)的發(fā)展，這種工作方式將會(huì)變得很平常，因此需要建立一個(gè)物理學(xué)科的分支來(lái)處理這類(lèi)問(wèn)題。雷納告訴賓漢，這樣的分支是存在的，并且作為連續(xù)介質(zhì)力學(xué)而被人們所認(rèn)識(shí)。賓反認(rèn)為這樣做不好，會(huì)嚇跑化學(xué)家，需要給它起一個(gè)新的名字。

　　賓漢根據(jù)古希臘哲學(xué)家赫拉克利特“一切皆流”的說(shuō)法，在與一位語(yǔ)言學(xué)家商議之后，提出了“流變學(xué)”（Rheology）這個(gè)名字，并于1928年在美國(guó)提議成立了流變學(xué)會(huì)（Rheological Society），研究材料的變形和流動(dòng)。1929年召開(kāi)了流變學(xué)會(huì)的第一次會(huì)議，并創(chuàng)辦了《流變學(xué)雜志》。這個(gè)流變學(xué)雜志，在1933年后曾停止出版；1957年作為《Transactions of Societyof Rheology》重新出版；1978年又恢復(fù)其最初的名字《流變學(xué)雜志》（Journal of Rheology）。

　　賓漢是流變學(xué)的奠基人。他研究了懸膠、油漆、水泥等一些材料的流變特性，寫(xiě)了一系列論文，特別是在1919年和H.格林聯(lián)合發(fā)表的論文“油漆是一種塑性材料而不是黏性流體”，該文指出，油漆在剪切應(yīng)力較小時(shí)，剪切應(yīng)變率為零（或不發(fā)生流動(dòng)），只有在剪切應(yīng)力超達(dá)過(guò)臨界值（即屈服應(yīng)力）時(shí)，才發(fā)生流動(dòng)，這時(shí)應(yīng)變率和應(yīng)力與屈服應(yīng)力之差成正比。后來(lái)人們將具有這種流變規(guī)律或本構(gòu)關(guān)系的材料或物質(zhì)，稱(chēng)為黏塑性材料或賓漢塑性材料（簡(jiǎn)稱(chēng)賓漢體）。除油漆外，石膏、懸膠、面粉團(tuán)，水泥砂漿等均可作為賓漢體來(lái)處理。圣維南的塑性流動(dòng)材料和牛頓流體，均可作為賓漢體的特殊情況，前者的流動(dòng)速度為零，后者的屈服應(yīng)力為零。

　　直到第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)為止，美國(guó)流變學(xué)會(huì)仍是世界上唯一的流變學(xué)會(huì)。1939年，荷蘭皇家科學(xué)院成立了以J.M.伯格斯為首的流變學(xué)小組。1940年，英國(guó)成立了流變學(xué)家俱樂(lè)部。

　　1945年12月國(guó)際科學(xué)聯(lián)合會(huì)（InternationalCouncilofScientificUnions）組織了一個(gè)流變學(xué)委員會(huì)。1947年在馮·卡門(mén)主席的主持下舉行了第一次會(huì)議，代表們來(lái)自物理、化學(xué)、生物科學(xué)、大地測(cè)量、空氣物理、理論和應(yīng)用力學(xué)的國(guó)際聯(lián)合會(huì)。委員會(huì)的職能是：對(duì)流變學(xué)的專(zhuān)門(mén)名詞進(jìn)行命名；對(duì)流變學(xué)的論文進(jìn)行摘要；組織國(guó)際流變學(xué)會(huì)議等。1968年前，國(guó)際流變學(xué)會(huì)議每5年舉行一次。1968年以后，每4年舉行一次。第13屆國(guó)際流變學(xué)會(huì)議是2000年8月20～25日在英國(guó)劍橋大學(xué)舉行的，會(huì)議文集共刊登578篇論文。

　　1973年國(guó)際流變學(xué)委員會(huì)被接納為國(guó)際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)的分支機(jī)構(gòu)。1974年國(guó)際流變學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)被接納為國(guó)際理論和應(yīng)用力學(xué)聯(lián)合會(huì)的分支機(jī)構(gòu)。

　　中國(guó)的流變學(xué)研究

　　中國(guó)最早從事流變學(xué)研究工作的可能是地質(zhì)力學(xué)家。第一本翻譯成中文的流變學(xué)書(shū)籍，是雷納的《理論流變學(xué)講義》，是由中國(guó)科學(xué)院巖體土力學(xué)研究所的6位研究人員于1965年合譯出版的。

　　1978年制定全國(guó)力學(xué)發(fā)展規(guī)劃時(shí)，認(rèn)為流變學(xué)是必須重視和加強(qiáng)的薄弱領(lǐng)域。

　　1985年中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)與中國(guó)化學(xué)會(huì)聯(lián)合成立了流變學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)，并在湖南長(zhǎng)沙召開(kāi)了第一屆全國(guó)流變學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議。經(jīng)中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)批準(zhǔn)，中國(guó)流變學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)對(duì)外稱(chēng)為“中國(guó)流變學(xué)會(huì)”，第一屆的主任委員是北京大學(xué)教授、英藉華人科學(xué)家陳文芳。第一屆全國(guó)流變學(xué)會(huì)議有來(lái)自高等院校、研究和生產(chǎn)部門(mén)的178位代表參加，提交了125篇研究論文。會(huì)后由學(xué)術(shù)期刊出版社出版了《流變學(xué)進(jìn)展─中國(guó)化學(xué)會(huì)、中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)第一屆全國(guó)流變學(xué)會(huì)議論文集》，收入115篇論文，按內(nèi)容分別列為專(zhuān)題評(píng)論、非牛頓流體力學(xué)、聚合物熔體、聚合物溶液、黏彈性和固體力學(xué)、分散體系、生物醫(yī)學(xué)物質(zhì)、聚合物加工、流變測(cè)量法等9章，反映了當(dāng)時(shí)中國(guó)流變學(xué)研究的狀況。

　　1987年在成都召開(kāi)了第二屆全國(guó)流變學(xué)會(huì)議，并開(kāi)始使用中國(guó)流變學(xué)會(huì)的會(huì)徽。1990年在上海，1993年在廣州，1996年在北京，1999年在武漢，2002年在廊坊，2006年在濟(jì)南，分別召開(kāi)了第3至8屆全國(guó)流變學(xué)會(huì)議，每屆會(huì)議均正式出版了會(huì)議論文集。1995年在上海、1997年在西安、2000年在合肥召開(kāi)的電-磁流變學(xué)全國(guó)會(huì)議。1991年10月在北京還召開(kāi)了“中日國(guó)際流變學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議”。受?chē)?guó)際理論與應(yīng)用力學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUTAM）委托，1997年9月在北京召開(kāi)了“帶缺陷物體流變學(xué)科學(xué)研討會(huì)”。另外，2005年在上海召開(kāi)了第四屆泛太平洋地區(qū)國(guó)際流變學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議（PRCR4）。這三次國(guó)際會(huì)議也都出版了論文集。

　　圖4中國(guó)流變學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)徽

   

　　從這段流變學(xué)產(chǎn)生的簡(jiǎn)史可以看出，流變學(xué)從一開(kāi)始就是由于工程實(shí)際的需要，從連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和膠體化學(xué)的邊緣上生長(zhǎng)出來(lái)的新興交叉學(xué)科，它不但從一開(kāi)始就溝通了力學(xué)和化學(xué)這兩個(gè)一級(jí)學(xué)科，而且在力學(xué)中也溝通了流體力學(xué)和固體力學(xué)這兩個(gè)二級(jí)學(xué)科。

　　流變學(xué)是溝通流體力學(xué)和固體力學(xué)的學(xué)科

　　反映物質(zhì)或材料物理性質(zhì)之間的關(guān)系式，統(tǒng)稱(chēng)為本構(gòu)方程（或本構(gòu)關(guān)系）。在固體力學(xué)中，本構(gòu)方程一般專(zhuān)指應(yīng)力張量與應(yīng)變張量之間的關(guān)系。在流體力學(xué)中，本構(gòu)方程是指應(yīng)力張量與應(yīng)變率張量之間的關(guān)系。

　　對(duì)于固體，人們己認(rèn)識(shí)到同時(shí)體現(xiàn)彈性形變黏性流變的材料，是黏彈性材料。材料的黏彈性又可分為線性和非線性?xún)纱箢?lèi)。若材料兼有塑性和黏性的性質(zhì)，則稱(chēng)為黏塑性材料，對(duì)于聚合物和一定條件下的金屬往往需要考慮其黏塑性。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，黏彈性材料呈塑性變形，或物體在彈性變形過(guò)程和塑性階段均具有黏性效應(yīng)，則稱(chēng)這種材料為黏彈塑性材料。許多作者己在研究工作中討論和使用黏彈性、黏塑性和黏彈塑性的本構(gòu)方程，這實(shí)際上己突破經(jīng)典的固體力學(xué)本構(gòu)關(guān)系，進(jìn)入了固體流變學(xué)的領(lǐng)域。

　　在固體力學(xué)研究中，因要深入研究材料的破壞機(jī)理，還要類(lèi)似流體力學(xué)，對(duì)固體材料考慮應(yīng)變率，研究其動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

　　流體力學(xué)的研究?jī)?nèi)容，在20世紀(jì)中期之后己有了很大的轉(zhuǎn)變。在石油、化工、能源、材料、生物工程和環(huán)保等領(lǐng)域所遇到的流體，己常是非牛頓流體。由于非牛頓流體涉及許多工業(yè)生產(chǎn)部門(mén)的工藝、設(shè)備、效率和產(chǎn)品質(zhì)量，也涉及人本身的生活和健康，所以越來(lái)越受到力學(xué)工作者的重視。1996年8目在日本京都國(guó)際會(huì)議中心召開(kāi)的第19屆國(guó)際理論與應(yīng)用力學(xué)大會(huì)上，非牛頓流體流動(dòng)是大會(huì)的6個(gè)重點(diǎn)主題之一，也是流體力學(xué)方面參與最踴躍的至題。Crochet邀請(qǐng)報(bào)告的觀點(diǎn)是，高分子溶液和熔體的特性遠(yuǎn)異于牛頓流體，并認(rèn)為這些異常特性的研究都是帶有挑戰(zhàn)性的課題。

　　流變學(xué)是力學(xué)在20世紀(jì)與化學(xué)、物理、工程科學(xué)交叉發(fā)展的新興學(xué)科。中國(guó)許多力學(xué)工作者的工作實(shí)際上己涉足流變學(xué)的研究領(lǐng)域，但由對(duì)流變學(xué)缺乏了解，而又未意識(shí)到，因此也就未能從與工程科學(xué)密切聯(lián)系又正蓬勃發(fā)展的流變學(xué)中吸取營(yíng)養(yǎng)。力學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵之一，在于與各個(gè)學(xué)科及工程領(lǐng)域相結(jié)合，流變學(xué)正是這樣一個(gè)有生命力的重要研究領(lǐng)域。