流變參數的案例
高分子材料流變學簡介-流變參數
對于不同流場中的常用流變參數進行歸納，可以把它們分成四類：粘性參數、彈性參數、強度參數、界面參數。常用的實驗測定方法包括熔融指數測定儀(MFR)、壓力型毛細管流變儀、同軸圓筒流變儀、錐板流變儀、平行板流變儀、轉矩流變儀、拉伸流變儀、烏氏粘度計等。
粘性參數
常用的粘性參數包括剪切粘度η、拉伸粘度ηe、復數粘度η*。剪切粘度η是最普遍地用來表示聚合物流變性能的一個參數。通常所說的粘度就是指剪切粘度。對于粘度較低的聚合物溶液與熔體可用同軸圓筒流變儀或烏氏粘度計測定。例如，人們常用同軸圓筒流變儀測定涂料的粘度；利用烏氏粘度計測定聚合物的粘均分子量。在聚合物加工成型時，工作對象主要是聚合物熔體，一般來說粘度比較大。一方面，不同的加工成型方法的剪切速率范圍不一樣；另一方面，不同類型的流變儀的剪切速率的量程也不同。因此，存在著一個相互匹配的問題。
熔融指數測定儀的剪切速率較低，測得的流變性能只適用于指導模壓成型。但是熔融指數測定方法簡單，操作方便快捷，儀器價格較低，因此在工業界得到了普遍應用。樹脂生產廠家常用熔融指數MFI作為樹脂的性能指標，間接地表示樹脂分子量的大小與加工性能。塑料加工廠也常用MFI表示塑料的加工流動性能。
錐板流變儀或平行板流變儀常被用來測定聚合物熔體粘度。一般采用小振幅振動剪切動態模式直接測得復數粘度η*，再利用Cox-Merz定律轉換成剪切粘度η。由于需用Cox-Merz定律進行轉換，因此測定聚合物的對象有一定局限性。但當只需了解低剪切速率下的粘度時，可以采用錐板或平行板流變儀的穩定剪切模式，直接測定剪切粘度。此時，被測定的聚合物對象就不再受限制。錐板或平行板流變儀測定的優點是可同時得到有關彈性的數據；另一方面，動態模式測量的頻率掃描范圍較寬。如果要求更寬的剪切速率范圍的粘度數據，可以采用時-溫轉換方法得到。
展開 基于射出機的聚合物流變參數在線測試技術
■北京化工大學 / 謝鵬程 教授
前言
聚合物的流變特性參數，可以用來判斷材料及配方體系選擇的正確性，確定合理的加工工藝條件，還可以指導射出機設備的參數設計，從而提高產品質量。因此，獲得聚合物流變參數的準確數據，對于射出過程實際成型和CAE 模擬都具有十分重要的意義。目前實驗室已經具有多種流變測試儀，但是基于射出裝備的流變在線測試研究很少，也沒有成熟的在線設備。為此，本文基于射出機提出了聚合物流變參數在線測試系統，包括測試裝置和測量系統等；然后利用此系統對典型聚合物的流變特性進行了在線測試，并用黏度模型擬合了聚合物的黏度曲線；最后對本在線測試技術進行了總結。
裝置
開發了一種（首圖）所示的特殊測試裝置，用于在線測量聚合物的流變性能。移去噴嘴后，將該裝置組裝到射出機中，以在正常加工條件下測量流變量據。
圖1：聚合物流變參數在線測試裝置示意圖（1：塞蓋、2：后機體、3：短毛細管、4：中機體、5：螺栓連接組件、6：熱電偶、7：前機體、8：長毛細管、9：加熱圈、10：螺桿、11：壓力傳感器）
裝置結構如圖1 所示，本在線流變測試裝置主要包括毛細管、壓力傳感器、熱電偶以及機體和塞蓋等，其結構不同之處在于本流變測試裝置的測試物料是由射出機的塑化系統預塑化和射出的，并且物料連續通過兩個串聯的毛細管，這種結構實現了物料在射出工況下的流變性能測試，而且嚴格保證了Bagley 校正所要求的在同一流體速率下選擇不同長度的毛細管。
展開 從牛頓流體到彈性固體：旋轉流變儀的高精度流變特性測定與工業應用
旋轉流變儀的主要夾具類型
在一定的時間或溫度程序下，沿一定方向、或按一定振蕩頻率，在可控的剪切速率/應力/應變振幅下，進行旋轉剪切測量，獲取黏度、模量/柔量、損耗角等參數，及其隨剪切速率/剪切應力/頻率/振幅/時間/溫度的變化。
旋轉流變儀的應用范圍
旋轉流變儀是材料領域應用最廣泛的流變測量儀器，可以研究從低黏度流體到高強度固體樣品的流動和變形特性。它采用對樣品施加強制穩態速率載荷、穩態應力載荷、動態正弦周期應變載荷或動態正弦周期應力載荷的方式，觀測樣品對所施加載荷的響應數據；通過測量剪切速率、剪切應力、振蕩頻率、應力應變振幅等流變數據，計算樣品的黏度、儲能模量、損耗模量、tanδ 等流變學參數。
常用于測定聚合物熔體、聚合物溶液、懸浮液、乳液、涂料、油墨和食品等材料的流變性質的儀器有旋轉流變儀、毛細管流變儀、轉矩流變儀和界面流變儀。
01
評價聚合物力學性能
魯汶大學 J.-F. Gohy 通過旋轉剪切流變儀評估了 POEG9MA 均聚物和 PS-b-POEG9MA-嵌段共聚物的機械性能。
純 POEG9MA 的線性黏彈性響應的頻率依賴性表明，該材料表現為自由流動的牛頓流體。摻雜鹽的存在基本上抑制了鏈的運動，從而抑制了材料的最終弛豫。后者仍然表現為未糾纏的流體，由于內部摩擦，通過流體動力學和熵效應具有黏彈性響應。
反過來，PS-b-POEG9MA 系統在高剪切頻率下也呈現出 POEG9MA 鏈的特征性短距離弛豫，表現為熱塑性彈性體，在 Li+ 摻雜時具有相對較低的機械性能變化。
機械性能測試結果。
展開 鉆井的血液—泥漿
鉆井液密度是確保安全、快速鉆井和保護油氣層的一個十分重要的參數。通過鉆井液密度的變化，可調節鉆井液在井筒內的靜液柱壓力，以平衡地層孔隙壓力。有時亦用于平衡地層構造應力，以避免井塌的發生。如果密度過高，將引起鉆井液過度增稠、易漏失、鉆速下降、對油氣層損害加劇和鉆井液成本增加等一系列問題；而密度過低則容易發生井涌甚至井噴，還會造成井塌、井徑縮小和攜屑能力下降。
2）鉆井液的流變性
鉆井液的流變性(Rheological Properties of Drilling Flrids)是指鉆井液流動和變形的特性。該特性通常是由不同的流變模式及參數來表征的.此外，漏斗粘度(Funnel Viscosity)、表現粘度(Apparent Viscosity)和靜切力(Gel Strength)等也是鉆井液的重要流變參數。由于鉆井液的流變性與攜巖、井壁穩定、提高機械鉆速和環空水力參數計算等一系列鉆井工作密切相關，因此它是鉆井液最重要的性能之一。
3)鉆井液的濾失造壁性
在鉆井過程中，當鉆頭鉆過滲透性地層時，由于鉆井液的液柱壓力一般總是大于地層孔隙壓力，在壓差作用下，鉆井液的液體便會滲入地層，這種特性常稱為鉆井液的濾失性(Filtration Properties Fluids)。在液體發生滲濾的同時，鉆井液中的固相顆粒會附著并沉積在井壁上形成一層泥餅(Mud Cake)。隨著泥餅的逐漸加重以及在壓差作用下被壓實，針對裸眼井壁有效地起到穩定和保護作用，這就是鉆井液的所謂造壁性。
由于泥餅的滲透率遠遠小于地層的滲透率，因而形成的泥餅還可以有效地阻止鉆井液中的固相和濾液繼續侵入地層。在鉆井液工藝中，通常用一個重要參數—濾失量(Water Loss or Foltration Rate)來表征鉆井油液的滲濾速率。
展開 
揭秘世界建筑奇跡背后的混凝土黑科技！
通過仿真分析可以得出混凝土流變學參數與現場質量控制實驗參數的對應關系，如圖 2 所示，計算結果與實驗數據和解析值一致。通過仿真，進一步繪制出動態黏度、坍落度與坍落時間之間的三維曲面對應關系，這些混凝土流變學參數為后續現場質量控制提供參考依據。
圖 2 COMSOL Multiphysics 仿真實驗結果分析
圖 2 中上圖散點表示實驗數據，實線表示解析結果，點線表示仿真結果；下圖為仿真得到的黏度、坍落度及坍落時間等混凝土流變學參數之間的對應關系。
為了驗證 COMSOL 軟件仿真的準確性，王進博士基于文獻中的數據和結果，通過水平集方法兩相流模型，建立坍落度實驗的基準模型，計算得到錐體擴展后的寬度與高度的對應數值，仿真結果與文獻中的數據完全吻合。
在多數情況下，溜管形狀和尺寸采用的是固定設計方案，為了提高施工速度和質量，可以調節混凝土的流變學材料屬性，滿足施工標準。王進博士應用 COMSOL 軟件對溜管施工方案進行了優化。對于高度為h的集料斗，傾角固定為 θ1 和 θ2 的溜管，通過仿真，研究了改變塑性黏度得到的不同施工流速和體積分數變化，如圖 3 所示。
圖 3 改變仿真模型中的塑性黏度得到的流速和體積分數變化
應用 COMSOL 軟件對上述實驗過程進行仿真分析，最終確定了主溜管的角度，通過模擬得到優化后的集料斗的高度；集料斗中混凝土的流速分布，判斷出流速較低的區域；并通過模擬實驗提出了混凝土現場質量控制的參數。
大體積混凝土施工
大體積混凝土不僅結構厚度大，混凝土的使用量大，而且對施工的要求十分高，在施工過程中必須嚴格控制溫度，防止出現裂縫。
展開 Simufact中材料模型的建立
Simufact材料庫獨立于軟件，一套完整的材料數據包括：基本信息/化學成分/機械性能/熱參數/流變曲線/各向異性/疲勞/晶粒模型/相變圖/數據表；不僅支持材料數據的手動輸入創建，而且支持多種格式的材料數據的導入；支持材料文件格式：umt/gmt (Matilda)/jmt(JMatPro)/mfd/mat/sf (simufact.forming)
1、在備品區右擊，選擇Material——Manual進入材料窗口
2、在材料窗口的主菜單中，選擇General properties中可以設置材料的名稱，對應的牌號（美標、德標、日標）應用的領域，分組，來源等信息，用戶根據自己材料的屬性進行自定義；
3、材料化學成分，選擇Chemical composition選擇材料化學成分并設置化學成分的含量，也可以用戶自定義化學成分元素；
4、機械性能，選擇Mechanical properties，可以設置泊松比、楊氏模量、密度、屈服強度、抗拉強度、極限應變，在設置參數類型，支持固定值設置和數表設置；
5、熱參數定義：選擇Thermal properties，可以設置熱傳導系數、比熱容、熱膨脹系數、消耗因數，數據可以是固定值，可以是變量值，也可以對焊接材料一些參數設置，熔點、固相線溫度、潛熱、標量值設置；
6、流變曲線設置；選擇Flow curves，添加溫度，應變，設置曲線，添加不同溫度下不同應變速率對應的流變曲線，可以手動輸入值進行添加，可以手動繪制曲線，可以從論文中截取圖片進行讀取；
7、各向異性，選擇Anisotropy，支持Hill（48）、Barlat（91）各向異性模型；
8、破環準則，選擇Damage，支持Lemaitre、Cockroft-Latham
展開 關于鉆井,你想了解的都在這…
鉆井液密度是確保安全、快速鉆井和保護油氣層的一個十分重要的參數。通過鉆井液密度的變化，可調節鉆井液在井筒內的靜液柱壓力，以平衡地層孔隙壓力。有時亦用于平衡地層構造應力，以避免井塌的發生。如果密度過高，將引起鉆井液過度增稠、易漏失、鉆速下降、對油氣層損害加劇和鉆井液成本增加等一系列問題；而密度過低則容易發生井涌甚至井噴，還會造成井塌、井徑縮小和攜屑能力下降。
2）鉆井液的流變性
鉆井液的流變性(Rheological Properties of Drilling Flrids)是指鉆井液流動和變形的特性。該特性通常是由不同的流變模式及參數來表征的.此外，漏斗粘度(Funnel Viscosity)、表現粘度(Apparent Viscosity)和靜切力(Gel Strength)等也是鉆井液的重要流變參數。由于鉆井液的流變性與攜巖、井壁穩定、提高機械鉆速和環空水力參數計算等一系列鉆井工作密切相關，因此它是鉆井液最重要的性能之一。
3)鉆井液的濾失造壁性
在鉆井過程中，當鉆頭鉆過滲透性地層時，由于鉆井液的液柱壓力一般總是大于地層孔隙壓力，在壓差作用下，鉆井液的液體便會滲入地層，這種特性常稱為鉆井液的濾失性(Filtration Properties Fluids)。在液體發生滲濾的同時，鉆井液中的固相顆粒會附著并沉積在井壁上形成一層泥餅(Mud Cake)。隨著泥餅的逐漸加重以及在壓差作用下被壓實，針對裸眼井壁有效地起到穩定和保護作用，這就是鉆井液的所謂造壁性。
由于泥餅的滲透率遠遠小于地層的滲透率，因而形成的泥餅還可以有效地阻止鉆井液中的固相和濾液繼續侵入地層。在鉆井液工藝中，通常用一個重要參數—濾失量(Water Loss or Foltration Rate)來表征鉆井油液的滲濾速率。
展開 技術研究｜利用高壓毛細管流變儀研究熔體的穩定流動
PART
03
案例總結
本案例通過對高壓毛細管流變儀的軟件參數進行調教，成功開發出了針對聚合物材料熔體穩定性研究的方法，對于指導材料的注塑加工工藝，排查生產問題具有指導意義。
PART
04
經驗建議
通過了解高壓毛細管流變儀的各項設置的原理，可以針對不同的測試需求去設置對應的參數來達到我們的測試目的，開發不同的方法，以進行更深層次的技術研究，拓展儀器檢測能力。本案例分享了熔體穩定性的測試設置，未來將會繼續針對恒壓力測試、恒載荷測試、擠出脹大測試等不同的技術需求進行方法開發。
新能源汽車用聚丙烯基微發泡材料應該更關注熔體粘度還是熔體強度？
加工工藝參數對兩者也有顯著影響。溫度是一個典型的例子：升高溫度通常會降低熔體粘度（使其更容易流動），但同時也可能會降低熔體強度（因為分子活動能力增強，纏結作用減弱），使其抗拉伸能力下降。因此，尋找一個最佳的溫度窗口對于成功加工至關重要。其他如剪切歷史、冷卻速率等也會對兩者產生復雜的影響。
認識到熔體粘度和熔體強度在不同加工工藝中的主導作用及其相互作用，是制定高效、穩定生產工藝的基礎。接下來將探討如何準確測量這兩個關鍵參數。
檢測方法
熔體流動速率（MFR/MVR） 測試是最廣泛用于快速評估熔體粘度的相對方法。熔融指數儀在標準化的溫度、負荷（通常為2.16kg，5kg等）和口模尺寸下，測量10分鐘內從口模擠出的熔體質量（MFR，單位g/10min）或體積（MVR）。MFR值與熔體粘度呈反比關系，即MFR值越高，表明材料在該測試條件下的粘度越低。此方法優點是設備成本低、操作簡單快捷、標準化程度高，被廣泛用于來料檢驗和品質控制。但其主要缺點是只能在單一低剪切速率（約10-50 s?1）下提供數據，無法反映實際加工中寬廣剪切速率范圍內粘度的變化（剪切稀化行為）。
旋轉流變儀和毛細管流變儀則用于獲取全面流變數據。旋轉流變儀（通常采用平行板或錐板夾具）可在很寬的頻率（剪切速率）范圍內施加振蕩剪切，精確測量材料的復數粘度、儲能模量（G'） 和損耗模量（G''），從而深入表征材料的粘彈性。毛細管流變儀則更接近于模擬擠出或注塑過程中的剪切流動，能夠在高剪切速率（可達10? s?1）下測量材料的剪切粘度及其對剪切速率和溫度的依賴性，并提供剪切稀化指數（n）等關鍵參數。這些數據對于計算機輔助工程（CAE）模擬和精確的工藝優化極為有價值。
展開 新能源汽車用聚丙烯基微發泡材料應該更關注熔體粘度還是熔體強度？
加工工藝參數對兩者也有顯著影響。溫度是一個典型的例子：升高溫度通常會降低熔體粘度（使其更容易流動），但同時也可能會降低熔體強度（因為分子活動能力增強，纏結作用減弱），使其抗拉伸能力下降。因此，尋找一個最佳的溫度窗口對于成功加工至關重要。其他如剪切歷史、冷卻速率等也會對兩者產生復雜的影響。
認識到熔體粘度和熔體強度在不同加工工藝中的主導作用及其相互作用，是制定高效、穩定生產工藝的基礎。接下來將探討如何準確測量這兩個關鍵參數。
檢測方法
熔體流動速率（MFR/MVR） 測試是最廣泛用于快速評估熔體粘度的相對方法。熔融指數儀在標準化的溫度、負荷（通常為2.16kg，5kg等）和口模尺寸下，測量10分鐘內從口模擠出的熔體質量（MFR，單位g/10min）或體積（MVR）。MFR值與熔體粘度呈反比關系，即MFR值越高，表明材料在該測試條件下的粘度越低。此方法優點是設備成本低、操作簡單快捷、標準化程度高，被廣泛用于來料檢驗和品質控制。但其主要缺點是只能在單一低剪切速率（約10-50 s?1）下提供數據，無法反映實際加工中寬廣剪切速率范圍內粘度的變化（剪切稀化行為）。
旋轉流變儀和毛細管流變儀則用于獲取全面流變數據。旋轉流變儀（通常采用平行板或錐板夾具）可在很寬的頻率（剪切速率）范圍內施加振蕩剪切，精確測量材料的復數粘度、儲能模量（G'） 和損耗模量（G''），從而深入表征材料的粘彈性。毛細管流變儀則更接近于模擬擠出或注塑過程中的剪切流動，能夠在高剪切速率（可達10? s?1）下測量材料的剪切粘度及其對剪切速率和溫度的依賴性，并提供剪切稀化指數（n）等關鍵參數。這些數據對于計算機輔助工程（CAE）模擬和精確的工藝優化極為有價值。
展開 Simufact.forming鉚接解決方案
Simufact.forming的材料數據庫針對各種材料專門提供了GUI界面，每種材料涵蓋了基本信息、化學成分、機械性能參數、熱力性能參數、流變應力曲線、失效、微觀組織、相變等信息，提供GB材料牌號對照。
Simufact的材料庫獨立于軟件，支持用戶自定義材料數據（通過表格曲線或解析模型方式定義）、編輯原材料數據、從外部導入材料數據，Simufact.forming支持導入的材料數據格式有：umt/gmt(Matild)/mat/mfd/sf(Simufact.forming)/jmt(JMatPro)。
Simufact.forming提供了各種材料模型，包括彈塑性、剛塑性、粘塑性、損傷、成型極限等，在Simufact.forming中提供的經過優化的有限元求解器完全支持彈塑性耦合分析,可以提供與其他軟件采用的剛塑性或粘塑性模型相同的計算效率。Simufact.forming還能夠考慮鉚接分析中板與板之間的涂膠層的影響。
Simufact.forming鉚接分析中涂膠層的影響（左圖: 紅色區域 右圖：膠層材料）
Simufact.forming提供了豐富的設備庫，包括：曲柄壓力機、螺旋壓力機、對擊 錘、液壓機、機械壓力機等設備，并且提供了不同噸位的設備庫，用戶可直接調用設備庫中的數據使用，也可以將自定義設備保存到設備庫中，方便后續其他用戶再次使用。Simufact.forming既可以直接導入幾何體模型作為剛體（或可變形體）進行模具的定義，也可以自動創建模具的幾何模型進行分析。
Simufact.forming可以對模具指定任意運動。該運動可以是基于標準設備的參數輸入,也可以是載荷相關、速度相關、時間或行程相關的運動。
展開 
鋰離子電池制造工藝仿真技術進展
對于不同體系的電極漿料，溫度是影響其流變特性的重要參數。由于電極漿液是具有非牛頓行為的混合物，其黏度易受到溫度變化的影響［38］。Hawley 和 Li［34］評估了正極漿料在25~75 ℃溫度范圍內的攪勻行為，發現在60 ℃下進行勻漿工藝時，漿料整體的粒子集群破碎程度更高，有效提高了后續涂布工藝的效率。攪拌轉速以及攪拌時間也是勻漿工藝中的決定性參數，在實際工業運用中根據漿料類型的不同而進行調整，一般分別在1 000-4 000 r/min和10-120 min之間。
目前勻漿設備種類繁雜，如球磨攪拌機、行星式攪拌機、靜態攪拌機等已普遍適用于漿料混合［39］。針對工藝設備混漿過程的仿真是研究勻漿工藝的熱點方向之一，如Schilde等［35］通過實驗標定了不同攪拌器類型中剪切應力強度、剪切應力頻率、攪拌速度的關系，基于如圖5（a）所示的分散動力學模型模擬了漿料分散程度與攪拌時間、攪拌速度的函數關系。Barailler等［40］利用計算流體力學（CFD）對勻漿設備的葉片攪拌頭進行了性能表征，如圖5（b）所示，并進一步對具有黏性的牛頓流體進行了剪切應力分布的分析。Xu等［41］針對高剪切力混漿設備，通過聯合實驗流體力學（EFD）和CFD對漿料攪拌過程進行了仿真，如圖5（c）所示，對勻漿設備的功率消耗、能量消耗、漿料的流動模式進行了具體分析。黏度是對于電極漿料最有影響的流變學特征，它受多種特性的影響，如粒度、顆粒形狀、粗糙度、溫度和流體力學力以及固含量［38， 42］。當利用CFD進行勻漿工藝仿真時須先確定漿料黏度，但由于電極漿體一般是非牛頓流體，其黏度隨剪切應力及漿料工藝時粒子的破裂而不斷變化。目前利用CFD進行勻漿工藝仿真時一般將漿料的黏度定義為常數，故利用CFD進行勻漿工藝仿真仍須進一步優化。
展開 石油勘探開發全流程
通常基本錄井數據包括ROP、深度、巖屑巖性、氣體測量和巖屑描述，也可能包括對泥漿流變特征或鉆井參數的說明。
1、錄井概念
錄井是用地球化學、地球物理、巖礦分析等方法，觀察、收集、分析、記錄隨鉆過程中的固體、液體、氣體等返出物信息，以此建立錄井剖面，發現油氣顯示，評價油氣層，為石油工程提供鉆井信息服務的過程。
1）狹義錄井
常規錄井：巖屑錄井、巖心錄井、氣測錄井、鉆井工程參數錄井、熒光錄井等。錄井新技術：輕烴色譜分析錄井、熱蒸發烴色譜分析錄井、核磁共振錄井、離子色譜水分析、地層壓力評價等。
2）廣義錄井
除了常規錄井以外，廣義錄井還包括：井位勘測、鉆井地質設計、錄井工程設計、錄井信息傳輸、油氣層綜合評價解釋、單井地質綜合評價等。
2 、錄井工程
1）從專業學科講：以規模化錄井工程生產為基礎，以優化系統、提高生產率為目標，在石油地質學、地球化學、地球物理學、信息科學、電子科學等 學科基礎上，多學科交叉形成的油氣井工程學科。
2）從工業生產角度講：根據合同的要求，在鉆井過程中依據鉆井地質設計、錄井工程設計的要求，錄井施工人員采用相關錄井技術，使用錄井儀器設備，以合理的施工成本，完成錄井施工的過程。
?3 、錄井工程的任務
在鉆井過程中，分析、測量、觀察從井下返出的物質固態、液態、氣態三種狀態的物質信息,我們把必須在井場完成的叫做第一層錄井信息，可以在室內完成分析的叫做第二層錄井信息。
1）第一層錄井信息包括：固體：巖屑、巖心。液體：油的顯示信息、鉆井液及其濾液信息。氣體：鉆井液中的氣體、巖心巖屑中的氣體等。其他：工程施工參數（鉆井、測井、測試、固井、完井、鉆具、套管等），收集資料（井噴、井涌、井漏等）。
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