作者：王振東
內容提要： 賓漢是流變學的奠基人,他根據古希臘哲學家赫拉克利特“一切皆流”的說法，在與一位語言學家商議之后，提出了“流變學”（Rheology）這個名字，研究材料的變形和流動。
流變學是研究材料的流動和變形的科學，它是一門介于力學、化學、物理與工程科學之間的新興交叉學科。這里所說的材料既包括流體形態，也包括固體形態的物質。在常溫常壓下，物質可分為固體、液體和氣體三種狀態；特殊情況下，還有等離子態和超固態。氣體和液體又合稱為流體。從力學分析的角度，通常認為流體與固體的主要差別，在于它們對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。當外力作用在固體上時，固體將產生一定程度的相應變形。固體靜止時，可以有法向應力和切向應力。而流體在靜止時，則不能承受切向應力，微小的剪切刀將使流體產生連續不斷的變形。只有當剪切力停止作用時，流體的變形方會停止。流體這種在外力作用下連續不斷變形的宏觀性質，通常稱為流動性。
一般認為，英國物理學家虎克于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力關系的基本規律，后來稱為虎克定律。英國科學家牛頓在1687年最先提出了流體的應力和應變率成正比，后來將此稱為牛頓黏性定律，并將符合這一規律的流體稱為牛頓流體，其中包括最常見的流體—水和空氣，而將不符合這一規律的流體稱為非牛頓流體。上述兩定律是在17世紀發表的，但直到19世紀末才由柯西、納維、斯托克斯等人推廣到三維變形和流動，并為科學界廣泛接受。從那以后，虎克彈性固體力學和牛頓流體力學隨著它在許多工程分支學科中的應用，而得到巨大的發展。但是流變學通常并不包括對上述兩種情況的研究，流變學要研究更加復雜的材料。
流動的固體—流變學的研究對象之一
流動的固體，是指彈性形變與黏性流動同時存在的物體。“彈性形變”是指短暫的、能恢復原狀的形變。而“黏性流動”是指持續的、不能恢復原狀的形變，它也被稱為“流變”。過去一般談固體時，是指只有彈性形變的物體；談到流體時，是指只有黏性流動的流體。實際上，同時具有這兩種性質的物體是很多的。
用鋼棒和瀝青棒作如下的實驗（見圖1）。將鋼捧放在兩支點上，棒的正中間放一重物，此時鋼棒彎了；當重物取走時，彎曲了的鋼棒能完全恢復原狀（圖1a）。鋼棒此時是彈性形變。將瀝青棒放到兩支點上，如圖1b那樣，中間也放一重物。重物放置一段時間后取走，瀝青捧稍恢復了一點，但并沒恢復原狀，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，它能恢復原狀，表現出很好的彈性。但若手按下較長時間再抬起，就己不能恢復原狀。同是一根瀝青捧，迅速按一下，它是彈性體；較長時間地按，又顯現有流體的性質。
圖1鋼捧與瀝青捧的變形
實際上很多物體，當外力作用的時間小于某一時間時，物體表現出彈性；當外力作用的時間大于這一時間，物體就會流變。這個時間就叫做物體的“緩和時間”。“緩和時間”是一個時間閾值，當外力作用時間超過此閾值時，物體的彈性就會“緩和”而產生流變。彈性體與流體之所以不同，也可認為只是其緩和時間不同而已。緩和時間無限長的物體，是理想的彈性體；緩和時間等于零的物體是理想的流體。具有彈性和黏性混合性質的物體，其緩和時間既不為零，也不是無窮大，它們就是可流動的固體，或者是有彈性的流體。
固體表現出流動的性質，除了外力作用時間的因素外，還有溫度的因素。當溫度不斷升高時，大部分物體都會要流變，表現出流體的性質。
金屬由應力引起的應變隨時間變化的流動現象，稱為蠕變。通常，升高溫度或增加應力會使蠕變加快并縮短達到斷裂的時間。金屬材料在恒拉應力作用下，經過一定的時間以后發生斷裂的現象，稱作蠕變斷裂。在土木工程中，土地基的流變可延續數十年之久。地下隧道竣工數十年之后，仍可出現蠕變斷裂。固體材料的蠕變是流變學研究的重要課題。
現代工業需要耐高溫、耐蠕變的高質量的金屬、合金、陶瓷和高強度的聚合物，因此與固體蠕變斷裂有關的流變學分支會迅速發展起來。核工業中核反應堆和粒子加速器的發展，也為研究幅射產生的流變打開了新的領域。
在地球科學中，人們很早就知道時間過程這一重要因素。當觀察地質斷面時，可以看到巖石有皺紋的褶曲結構，這是巖石在流動的證據。在幾億年的地質年代里，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“第四紀冰川遺跡”己立碑成為向旅游者展示巖石也在流動的景點。有人曾測量計算過冰川的黏性，大約是混凝土的100萬倍；而混凝土的黏性，大約是水的100億倍。可見無冰川是多么“黏”，多么難于流動，然而經過幾千年、幾萬年，終究還是在慢慢地向下流動著。流變學為研究上地殼中有趣的地球物理現象（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-數學工具。對于地球內部的過程，如巖漿活動、地幔熱對流等，也可利用高溫、高壓巖石流變試驗來模擬，從而推動了地球動力學的研究。
圖2自然界中整個地質年代里的蠕變，巖右的流動尚在繼續中
圖3廬山第四紀冰川遺跡
非牛頓流體—流變學的研究對象之二
非牛頓流體是指不滿足牛頓黏性實驗定律的流體，即其剪應力與剪切應變率之間不是線性關系的流體。非牛頓流體廣泛存在于生活、生產和大自然之中。
早在人類出現之前，非牛頓流體就己存在，因為絕大多數生物流體都屬于現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，以及像細胞質那樣的“半流體”都屬于非牛頓流體。
近幾十年以來，促使非牛頓流體研究迅速發展的主要動力之一，是聚合物工業的發展。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。
在食品工業中，非牛頓流體也相當普遍。蛋清、煉乳、瓊脂、果醬、醬油、土豆漿、番茄汁、淀粉液、蘋果漿、濃菜湯、糖稀、熔化巧克力、面團、米粉團以及魚糜、肉糜等各種糜狀食品物料，也都是非牛頓流體。
總之，在日常生活和工業生產中常遇到的各種高分子溶液、熔體、膏體、凝膠、交聯體系、懸浮體系等復雜性質的流體，差不多都是非牛頓流體。有時為了工業生產的目的，在某種牛頓流體中，加入一些聚合物，在改進其性能的同時，也將其變成為非牛頓流體，如為提高石油產量使用的壓裂液、新型潤滑劑等。
非牛頓流體有許多奇妙的特性，如射流脹大、無管虹吸、剪切變稀、拔絲、湍流減阻等，其中有一個使人感興趣的特性，就是部分非牛頓流體具有彈性，亦稱為黏彈性流體。當旋轉桿插入黏彈性流體時，流體將沿桿向上爬，液面呈凸形。
流變學的產生簡史
流變學的誕生
1928年雷納從巴勒斯坦到美國訪問，并且與化學家賓漢（Bingham EC 1878～1945）一起工作。賓漢對雷納說，我（一個化學家）和你（一個土木工程師），一起工作解決共同的問題，隨著膠體化學的發展，這種工作方式將會變得很平常，因此需要建立一個物理學科的分支來處理這類問題。雷納告訴賓漢，這樣的分支是存在的，并且作為連續介質力學而被人們所認識。賓反認為這樣做不好，會嚇跑化學家，需要給它起一個新的名字。
賓漢根據古希臘哲學家赫拉克利特“一切皆流”的說法，在與一位語言學家商議之后，提出了“流變學”（Rheology）這個名字，并于1928年在美國提議成立了流變學會（Rheological Society），研究材料的變形和流動。1929年召開了流變學會的第一次會議，并創辦了《流變學雜志》。這個流變學雜志，在1933年后曾停止出版；1957年作為《Transactions of Societyof Rheology》重新出版；1978年又恢復其最初的名字《流變學雜志》（Journal of Rheology）。
賓漢是流變學的奠基人。他研究了懸膠、油漆、水泥等一些材料的流變特性，寫了一系列論文，特別是在1919年和H.格林聯合發表的論文“油漆是一種塑性材料而不是黏性流體”，該文指出，油漆在剪切應力較小時，剪切應變率為零（或不發生流動），只有在剪切應力超達過臨界值（即屈服應力）時，才發生流動，這時應變率和應力與屈服應力之差成正比。后來人們將具有這種流變規律或本構關系的材料或物質，稱為黏塑性材料或賓漢塑性材料（簡稱賓漢體）。除油漆外，石膏、懸膠、面粉團，水泥砂漿等均可作為賓漢體來處理。圣維南的塑性流動材料和牛頓流體，均可作為賓漢體的特殊情況，前者的流動速度為零，后者的屈服應力為零。
直到第二次世界大戰爆發為止，美國流變學會仍是世界上唯一的流變學會。1939年，荷蘭皇家科學院成立了以J.M.伯格斯為首的流變學小組。1940年，英國成立了流變學家俱樂部。
1945年12月國際科學聯合會（InternationalCouncilofScientificUnions）組織了一個流變學委員會。1947年在馮·卡門主席的主持下舉行了第一次會議，代表們來自物理、化學、生物科學、大地測量、空氣物理、理論和應用力學的國際聯合會。委員會的職能是：對流變學的專門名詞進行命名；對流變學的論文進行摘要；組織國際流變學會議等。1968年前，國際流變學會議每5年舉行一次。1968年以后，每4年舉行一次。第13屆國際流變學會議是2000年8月20～25日在英國劍橋大學舉行的，會議文集共刊登578篇論文。
1973年國際流變學委員會被接納為國際純粹和應用化學聯合會的分支機構。1974年國際流變學專業委員會被接納為國際理論和應用力學聯合會的分支機構。
中國的流變學研究
中國最早從事流變學研究工作的可能是地質力學家。第一本翻譯成中文的流變學書籍，是雷納的《理論流變學講義》，是由中國科學院巖體土力學研究所的6位研究人員于1965年合譯出版的。
1978年制定全國力學發展規劃時，認為流變學是必須重視和加強的薄弱領域。
1985年中國力學學會與中國化學會聯合成立了流變學專業委員會，并在湖南長沙召開了第一屆全國流變學學術會議。經中國科學技術協會批準，中國流變學專業委員會對外稱為“中國流變學會”，第一屆的主任委員是北京大學教授、英藉華人科學家陳文芳。第一屆全國流變學會議有來自高等院校、研究和生產部門的178位代表參加，提交了125篇研究論文。會后由學術期刊出版社出版了《流變學進展─中國化學會、中國力學學會第一屆全國流變學會議論文集》，收入115篇論文，按內容分別列為專題評論、非牛頓流體力學、聚合物熔體、聚合物溶液、黏彈性和固體力學、分散體系、生物醫學物質、聚合物加工、流變測量法等9章，反映了當時中國流變學研究的狀況。
1987年在成都召開了第二屆全國流變學會議，并開始使用中國流變學會的會徽。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年在濟南，分別召開了第3至8屆全國流變學會議，每屆會議均正式出版了會議論文集。1995年在上海、1997年在西安、2000年在合肥召開的電-磁流變學全國會議。1991年10月在北京還召開了“中日國際流變學學術會議”。受國際理論與應用力學聯合會（IUTAM）委托，1997年9月在北京召開了“帶缺陷物體流變學科學研討會”。另外，2005年在上海召開了第四屆泛太平洋地區國際流變學學術會議（PRCR4）。這三次國際會議也都出版了論文集。
圖4中國流變學學會會徽
從這段流變學產生的簡史可以看出，流變學從一開始就是由于工程實際的需要，從連續介質力學和膠體化學的邊緣上生長出來的新興交叉學科，它不但從一開始就溝通了力學和化學這兩個一級學科，而且在力學中也溝通了流體力學和固體力學這兩個二級學科。
流變學是溝通流體力學和固體力學的學科
反映物質或材料物理性質之間的關系式，統稱為本構方程（或本構關系）。在固體力學中，本構方程一般專指應力張量與應變張量之間的關系。在流體力學中，本構方程是指應力張量與應變率張量之間的關系。
對于固體，人們己認識到同時體現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兩大類。若材料兼有塑性和黏性的性質，則稱為黏塑性材料，對于聚合物和一定條件下的金屬往往需要考慮其黏塑性。當應力達到一定值時，黏彈性材料呈塑性變形，或物體在彈性變形過程和塑性階段均具有黏性效應，則稱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方程，這實際上己突破經典的固體力學本構關系，進入了固體流變學的領域。
在固體力學研究中，因要深入研究材料的破壞機理，還要類似流體力學，對固體材料考慮應變率，研究其動力學過程。
流體力學的研究內容，在20世紀中期之后己有了很大的轉變。在石油、化工、能源、材料、生物工程和環保等領域所遇到的流體，己常是非牛頓流體。由于非牛頓流體涉及許多工業生產部門的工藝、設備、效率和產品質量，也涉及人本身的生活和健康，所以越來越受到力學工作者的重視。1996年8目在日本京都國際會議中心召開的第19屆國際理論與應用力學大會上，非牛頓流體流動是大會的6個重點主題之一，也是流體力學方面參與最踴躍的至題。Crochet邀請報告的觀點是，高分子溶液和熔體的特性遠異于牛頓流體，并認為這些異常特性的研究都是帶有挑戰性的課題。
流變學是力學在20世紀與化學、物理、工程科學交叉發展的新興學科。中國許多力學工作者的工作實際上己涉足流變學的研究領域，但由對流變學缺乏了解，而又未意識到，因此也就未能從與工程科學密切聯系又正蓬勃發展的流變學中吸取營養。力學發展的關鍵之一，在于與各個學科及工程領域相結合，流變學正是這樣一個有生命力的重要研究領域。
