流變儀作為一種用于測量物質流變特性的儀器，廣泛應用于高分子、食品、化妝品、醫(yī)藥、化工等領域。它能夠測試物質在不同剪切速率下的流動行為、粘度變化等參數，從而揭示物質在不同條件下的力學性質。為了理解流變儀的工作原理，首先需要了解流體的基本概念和流變學的基本理論，尤其是牛頓流體力學理論。
一、牛頓流體力學基礎
牛頓流體力學為理解儀器工作原理提供了理論基礎。牛頓流體是指那些遵循牛頓粘性定律的物質，其剪切應力與剪切速率呈線性關系。這一關系可表示為τ=ηγ?，其中τ為剪切應力，γ?為剪切速率，η為流體的粘度系數。粘度作為流體的內在屬性，反映了其抵抗流動的能力，是儀器測量的核心參數之一。
在流體流動分析中，剪切應力描述了流體內部由于速度梯度而產生的內摩擦力，而剪切速率則表征了速度隨位置變化的快慢。牛頓流體的粘度在一定溫度和壓力條件下保持恒定，不隨剪切速率的變化而改變。這一特性使得牛頓流體的流變行為相對簡單，為流變測量提供了理想化的模型系統(tǒng)。
二、基本構造與類型
流變儀主要由三大部分組成：驅動系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)。驅動系統(tǒng)負責施加可控的應力或應變，測量系統(tǒng)則用于檢測樣品的響應，而溫控系統(tǒng)確保實驗條件的一致性。根據測量幾何的不同，它主要分為旋轉式（包括同軸圓筒、錐板和平行板）和毛細管式兩大類。
旋轉式通過旋轉部件對樣品施加剪切，測量扭矩和角位移來推算流變參數。其中，同軸圓筒設計適用于低粘度流體，錐板幾何可提供均勻的剪切場，而平行板則便于處理含有顆粒的樣品。毛細管則通過測量流體在壓力驅動下通過細管的流量來評估其流變特性，特別適合高剪切速率條件下的測量。
三、工作原理
在剪切測量模式下，它通過精確控制旋轉部件的運動，在樣品中建立穩(wěn)定的速度梯度。根據牛頓粘性定律，儀器測量的扭矩與流體的粘度直接相關。對于同軸圓筒系統(tǒng)，粘度可通過η=M(κ²-1)/(4πhωR?²κ²)計算，其中M為扭矩，h為圓筒高度，ω為角速度，R?為外筒半徑，κ為半徑比。
動態(tài)振蕩測試是流變儀的另一重要功能，通過施加小幅振蕩應變，同時測量應力響應，可獲得儲能模量(G')和損耗模量(G")。對于牛頓流體，G'為零而G"=ηω，這反映了其純粘性特征。它的數據采集系統(tǒng)實時記錄這些響應信號，通過傅里葉變換等數學處理，提取材料的流變學參數。
四、牛頓流體在流變測量中的表現
牛頓流體在流變測量中展現出鮮明的特征性行為。在穩(wěn)態(tài)剪切實驗中，其粘度不隨剪切速率變化，流動曲線呈現水平直線。動態(tài)測試中，相位角恒為90°（應力與應變速率同相），且G'為零。這些特征可作為判斷流體是否符合牛頓模型的依據。
實際應用中，許多簡單液體如水、礦物油和低分子量溶液在較寬剪切速率范圍內表現出牛頓行為。通過儀器測量這些體系的粘度，不僅驗證了儀器的準確性，也為非牛頓流體的研究提供了基準。值得注意的是，溫度對牛頓流體粘度的影響顯著，通常遵循阿倫尼烏斯關系，這要求流變測量時必須嚴格控制溫度條件。
