高分子材料流變學(xué)教學(xué)

1、 . . 8/8高分子材料流變學(xué)教學(xué) 日期：高分子材料流變學(xué)Polymer rheology一、課學(xué)時(shí)：40學(xué)時(shí)；學(xué)分：2學(xué)分二、使用專業(yè)：高分子化學(xué)與物理、材料學(xué)、材料加工工程、高分子機(jī)械設(shè)計(jì)三、預(yù)修課程：高分子化學(xué)、高分子物理學(xué)、高分子結(jié)構(gòu)與性能、高分子加工原理、場(chǎng)論四、教學(xué)目的：高分子材料加工原理是高分子材料與工程專業(yè)本科生的必修課，課程設(shè)置的目的是：1使學(xué)生對(duì)高分子材料加工過(guò)程的基本原理，主要包括高分子材料在成型加工過(guò)程中的基本流變學(xué)原理和傳熱學(xué)原理有比較全面的認(rèn)識(shí)。結(jié)合高分子物理學(xué)、材料加工工藝學(xué)、加工機(jī)械與模具設(shè)計(jì)，理解高分子材料的流變性質(zhì)、傳熱性能與材料的結(jié)構(gòu)、性能、制品配方、加

2、工工藝條件、加工機(jī)械與模具的設(shè)計(jì)和應(yīng)用之間的關(guān)系。2掌握高分子材料的基本流變學(xué)性質(zhì)和傳熱學(xué)性能；了解研究高分子材料流變性質(zhì)、傳熱性能的基本數(shù)學(xué)、力學(xué)方法；掌握測(cè)量、研究高分子材料流變性質(zhì)、傳熱性能的基本實(shí)驗(yàn)方法和手段。為進(jìn)一步學(xué)習(xí)聚合反應(yīng)工程學(xué)、材料成型加工工藝學(xué)、材料成型加工機(jī)械、模具設(shè)計(jì)等課程打下基礎(chǔ)。3討論典型高分子材料成型加工過(guò)程的流變學(xué)、傳熱學(xué)原理，討論多相聚合物體系（復(fù)合材料）的流變性質(zhì)和傳熱性能，為分析和改進(jìn)生產(chǎn)工藝、指導(dǎo)配方設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用高分子材料提供一定的理論基礎(chǔ)。本課程屬一門(mén)多學(xué)科交叉，理論性與實(shí)踐性均很強(qiáng)的新興學(xué)科，國(guó)目前尚無(wú)統(tǒng)一大綱和教材。鑒于目前介紹關(guān)于高分子材料傳

3、熱性能的書(shū)籍比較混亂，本大綱暫時(shí)先擬定講授高分子材料流變學(xué)的基本容和要求。以后條件成熟時(shí)，再補(bǔ)充高分子材料傳熱學(xué)方面的容。高分子流變學(xué)要求的教學(xué)時(shí)數(shù)為32學(xué)時(shí)，高分子傳熱學(xué)要求的教學(xué)時(shí)數(shù)為16學(xué)時(shí)，總計(jì)教學(xué)時(shí)數(shù)為48學(xué)時(shí)。關(guān)于高分子材料流變學(xué)部分，本大綱遵循基本理論與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，既有一定廣度，又有一定深度、新度，材料宏觀性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)分析相結(jié)合，唯象性討論與建立數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的特點(diǎn)，按照少而精的原則，設(shè)置了七章二十節(jié)容，教學(xué)時(shí)數(shù)為32學(xué)時(shí)。各章節(jié)的基本教學(xué)要求如下：第一、二、三章：1前三章為本課程學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和基礎(chǔ)。2要求掌握流變學(xué)研究中的基本物理量與基本流變函數(shù)。理解高聚物液體的流動(dòng)機(jī)理，

4、理解高聚物液體流動(dòng)時(shí)發(fā)生剪切變稀、擠出脹大、熔體破裂等奇異流變現(xiàn)象。能用“高分子構(gòu)象改變理論”說(shuō)明其奇異粘彈性。3了解非牛頓流體的類別和流動(dòng)特點(diǎn)。 4掌握各類條件和參數(shù)對(duì)高聚物液體剪切粘度的影響規(guī)律，包括：加工條件（溫度、壓力、剪切速率、剪切應(yīng)力），分子結(jié)構(gòu)參數(shù)（分子量、分子量分布、長(zhǎng)鏈支化程度），配方參數(shù)（填充增強(qiáng)劑、軟化增塑劑）。5理解高分子液體流動(dòng)中的彈性效應(yīng)與影響液體彈性的因素。第四章：1流變學(xué)基礎(chǔ)方程，特別本構(gòu)方程是流變學(xué)研究的中心課題，但由于需要較多數(shù)學(xué)準(zhǔn)備知識(shí)，對(duì)材料類專業(yè)本科生不宜提出過(guò)高要求。主要使學(xué)生了解本構(gòu)方程基本概念與建立高聚物液體流變本構(gòu)方程基本方法，對(duì)力學(xué)模型和分子

5、模型理論有初步的認(rèn)識(shí)。2掌握冪率方程。3了解定量研究高聚物流變性質(zhì)的數(shù)學(xué)、力學(xué)方法；了解連續(xù)性方程，運(yùn)動(dòng)方程與能量方程的物理意義。4了解平行板之間的拖曳流與圓柱形流道中壓力流的流場(chǎng)分析。第五章：1熟悉和理解測(cè)量聚合物熔體、溶液剪切粘度的幾種方法與原理，尤其對(duì)高壓毛細(xì)管流變儀的測(cè)量原理、數(shù)據(jù)處理方法（Rabinowitch修正，Bagley修正）、測(cè)量結(jié)果分析等有較好的理解。2了解高分子材料的動(dòng)態(tài)粘彈性，了解測(cè)量動(dòng)態(tài)粘彈性質(zhì)的方法。第六章：1本章選擇具有代表性的擠出加工過(guò)程，混煉加工過(guò)程，壓延成型過(guò)程與注射成型過(guò)程，討論流變學(xué)分析在研究加工原理中的作用，不同專業(yè)也可視教學(xué)對(duì)象的不同與學(xué)時(shí)的寬松加

6、以節(jié)選與增刪。2理解各加工過(guò)程的流變學(xué)分析方法與結(jié)論，理解這些結(jié)論的物理意義。3講解的重點(diǎn)放在牛頓流體的等溫流動(dòng)過(guò)程上，求解過(guò)程盡管簡(jiǎn)化，側(cè)重流場(chǎng)的分析與結(jié)果的討論，并恰當(dāng)?shù)赝茝V到非牛頓流體的情形。第七章：1在豐富的多相聚合物彈性流變性質(zhì)研究中，本章選擇兩相聚合物共混體系與填充聚合物體系加以介紹，介紹的目的是使學(xué)生理解在對(duì)新的高分子復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)中，流變性質(zhì)的意義。2理解多相聚合物體系的粘彈行為與其他特殊性質(zhì)。3以流變性形態(tài)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能為中心線索，讓學(xué)生進(jìn)一步理解復(fù)合材料的微觀、亞微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性質(zhì)之間的聯(lián)系。五、大綱容（注：“*”表示重點(diǎn)，“#”表示難點(diǎn)，“”表示涉與學(xué)科前沿）緒論主要講解：

7、流變學(xué)研究的容和意義；奇異流變現(xiàn)象；粘流態(tài)特征與流動(dòng)機(jī)理*?；疚锢砹亢透叻肿右后w的基本流變性質(zhì)基本物理量*#主要講解：應(yīng)力與偏應(yīng)力量；形變和形變梯度量；速度梯度、形變率量粘度與法向應(yīng)力差系數(shù)*主要講解：表觀剪切粘度函數(shù)；第一、第二法向應(yīng)力差函數(shù)；拉伸粘度函數(shù)3非牛頓型流體的分類*主要講解：Bingham塑性體；假塑性流體；脹塑性流體4關(guān)于剪切粘度的深入討論*主要講解：溫度T的影響；剪切速率和剪切應(yīng)力的影響；“時(shí)溫等效原理”在流動(dòng)曲線上的應(yīng)用；壓力的影響；配合劑的影響關(guān)于剪切變稀行為的說(shuō)明主要講解：高分子構(gòu)象改變說(shuō)；類橡膠液體理論6高分子液體彈性效應(yīng)的描述*主要講解：可恢復(fù)形變量S；擠出脹大比

8、與口型出口壓力降；第一、二法向應(yīng)力差系數(shù)7高分子液體的動(dòng)態(tài)粘彈性主要講解：小振幅振蕩剪切流場(chǎng)的數(shù)學(xué)分析；動(dòng)態(tài)粘彈性與穩(wěn)態(tài)流變性的關(guān)系非線性粘彈流體的本構(gòu)方程本構(gòu)方程概念速率型本構(gòu)方程*#主要講解：經(jīng)典的線性粘彈性模型 axwell模型；空間描述法和物質(zhì)描述法；廣義axwell模型#；ivlin-Ericksen二階流體模型#3積分型本構(gòu)方程*#主要講解：Bolzmamm疊加原理；Maxwell模型的積分形式；Lodge網(wǎng)絡(luò)理論類橡膠液體理論；eister模型和ird-Carreau模型#流變模型對(duì)高分子科學(xué)和高分子工程問(wèn)題的意義高分子流變本構(gòu)方程的分子理論高分子稀溶液和濃厚體系孤立分子鏈的粘彈

9、性理論*#主要講解：Debye珠-鏈模型的主要觀點(diǎn)；Rouse-Zimm模型的主要假定與處理方法；Rouse-Zimm模型的顯式本構(gòu)方程；流體動(dòng)力學(xué)相互作用，Zimm的修正；非仿射變形假定和帶滑動(dòng)函數(shù)的Rouse-Zimm模型高分子濃厚體系的流變模型和本構(gòu)方程*#主要講解：高分子濃厚體系的性質(zhì)；纏結(jié)高分子的模型化蠕動(dòng)模型；高分子濃厚體系的流變本構(gòu)方程，Doi-Edwards模型4分子結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流變性質(zhì)的影響*主要講解：平均分子量的影響；分子量分布的影響；支化結(jié)構(gòu)的影響；討論分子結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流變性影響的意義5松弛時(shí)間譜與其與材料粘彈性函數(shù)間的關(guān)系#主要講解：松弛時(shí)間譜的定義；松弛時(shí)間譜與材料粘彈函

10、數(shù)的關(guān)系；由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直接求取材料松弛時(shí)間譜的方法；影響流變松弛時(shí)間譜的因素輸運(yùn)過(guò)程的基本方程與基本流動(dòng)形式連續(xù)性方程質(zhì)量守恒律運(yùn)動(dòng)方程動(dòng)量守恒律能量方程能量守恒律平行板間的等溫拖曳流和管道中的壓力流主要講解：平行板間的等溫拖曳流；園形管道中的壓力流輸運(yùn)過(guò)程基本方程在直角坐標(biāo)系和柱坐標(biāo)系中的形式流變測(cè)量學(xué)毛細(xì)管流變儀的測(cè)量原理和方法*主要講解：毛細(xì)管流變儀的基本構(gòu)造；完全發(fā)展區(qū)的流場(chǎng)分析；入口區(qū)附近的流場(chǎng)分析，Bagley修正；出口區(qū)的流動(dòng)情況錐板型轉(zhuǎn)子流變儀簡(jiǎn)介主要講解：錐板型流變儀測(cè)量粘度；錐板型流變儀測(cè)量法向應(yīng)力差函數(shù)；錐板型流變儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)粘彈性測(cè)量落球式粘度計(jì)的測(cè)量原理混煉機(jī)型轉(zhuǎn)矩流變儀

11、的原理和用途主要講解：結(jié)構(gòu)與用途；轉(zhuǎn)矩絕對(duì)值與其波動(dòng)的意義高分子材料典型加工成型過(guò)程的流變分析1混煉工藝與壓延工藝（輥筒上的成型加工過(guò)程）*主要講解：運(yùn)動(dòng)方程與潤(rùn)滑近似假定；速度分布與壓力分布公式；關(guān)于輥筒間壓力與速度分布討論2擠出成型過(guò)程*主要講解：物料在勻化計(jì)量段螺槽中的流動(dòng)；機(jī)頭口型中物料的流動(dòng)；實(shí)行穩(wěn)定擠出的一些流變學(xué)考慮3纖維紡絲成型過(guò)程主要講解：穩(wěn)態(tài)單軸拉伸流動(dòng)的數(shù)學(xué)解析；穩(wěn)態(tài)單軸拉伸流動(dòng)的本構(gòu)模型描述；纖維紡絲成型原理簡(jiǎn)述；單軸拉伸粘度的實(shí)驗(yàn)測(cè)定；物料的可紡性與與分子參數(shù)的關(guān)系注塑成型過(guò)程與注射模具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中的流變學(xué)問(wèn)題1注塑成型過(guò)程的流變分析*主要講解：注塑成型過(guò)程簡(jiǎn)介；

12、簡(jiǎn)化假定和基本方程；充模壓力分析；注塑制品中的殘余應(yīng)力與分子取向2注射模具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的一般要求與步驟主要講解：注塑模具的主要功能與一般設(shè)計(jì)要求；注塑模具CAD設(shè)計(jì)的一般步驟3注塑模具流變學(xué)參數(shù)的CAD設(shè)計(jì)#主要講解：差分法計(jì)算的基本方程；方程的求解和程序編寫(xiě)；圖解法確定填充圖象（L/H法）有限元法繪制填充圖象主要講解：有限元法繪制填充圖象的主要步驟；編制有限元程序的基本方程；有限元程序；應(yīng)用舉例高分子熔體流動(dòng)不穩(wěn)定性與壁滑現(xiàn)象1 擠出成型過(guò)程中的熔體破裂行為*主要講解：兩類熔體破裂現(xiàn)象；熔體破裂現(xiàn)象的機(jī)理分析；影響熔體擠出破裂行為的因素2管壁滑移現(xiàn)象與Uhland模型3壁滑，擠出畸變，熔體

13、破裂的聯(lián)系與新認(rèn)識(shí)#主要講解：關(guān)于高分子液體奇異流變性的基本認(rèn)識(shí)；前人關(guān)于壁滑，擠出畸變，熔體破裂的認(rèn)識(shí)；關(guān)于壁滑，擠出畸變，熔體破裂的新認(rèn)識(shí)高分子基多相體系的流變行為高分子共混體系的相容性主要講解：高分子-高分子共混原則；高分子-高分子共混的熱力學(xué)相容性#高分子共混體系的形態(tài)與流變行為*主要講解：高分子共混體系的形態(tài)；高分子共混體系的粘性行為；高分子共混體系在流動(dòng)中的彈性行為3高分子分散體系的流變行為* 主要講解：高分子填充體系的流變行為；聚合填充法制備聚烯烴基復(fù)合材料的流變行為六、教材，參考資料教材：吳其曄，巫靜安，高分子材料流變學(xué)，：高等教育，2002參考資料：Lodge A S. El

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