流變儀是一款在科研和工業(yè)領(lǐng)域極為重要的材料表征工具。
一、 流變儀主要測什么？
簡單來說，流變儀測量的是材料的流動和變形行為，即“流變性”。它回答的核心問題是：當(dāng)材料受到外力時，它會如何響應(yīng)？
它測量的不是單一參數(shù)，而是一系列揭示材料內(nèi)在特性的物理量：
粘度： 衡量材料抵抗流動的能力。例如，蜂蜜的粘度高，水的粘度低。
模量： 衡量材料抵抗變形的能力（彈性）。例如，橡膠的模量高（不易拉長），面團的模量低（易變形）。
屈服應(yīng)力： 使材料開始流動所需的最小應(yīng)力。比如，番茄醬需要你先用力搖晃（超過屈服應(yīng)力）它才會流出。
觸變性： 材料粘度隨剪切時間和剪切速率變化的性質(zhì)。油漆是典型觸變性材料：刷涂時（高剪切）變稀，靜止后（低剪切）變稠。
總而言之，流變儀用于量化材料的力學(xué)性能，判斷它是更像液體、更像固體，還是二者兼有之（粘彈性）。
二、 原理與使用
流變儀的測量原理基于一個核心概念：對樣品施加一個可控的應(yīng)力或應(yīng)變，并精確測量其產(chǎn)生的響應(yīng)。
1. 核心原理
基本模型：
胡克彈性固體： 應(yīng)力與應(yīng)變成正比（像彈簧）。變形可恢復(fù)。
牛頓粘性流體： 應(yīng)力與應(yīng)變速率成正比（像阻尼器）。變形不可恢復(fù)。
實際材料： 大多數(shù)材料（如聚合物、食品、化妝品）同時具有彈性和粘性，稱為粘彈性材料。
測量幾何系統(tǒng)： 樣品被加載在兩個部件之間，通過控制其中一個部件的運動來施加應(yīng)力/應(yīng)變。常見的有：
平行板： 適合中低粘度流體、軟固體。
錐板： 能提供均勻的剪切速率，適合絕對粘度測量。
同軸圓筒： 適合低粘度液體、懸浮液。
2. 主要測量模式（操作方式）
流變儀通過執(zhí)行不同的“測試模式”來獲取材料的各種性能參數(shù)，這構(gòu)成了其主要的使用方法。
測量模式施加條件測量響應(yīng)主要獲得參數(shù)通俗比喻
旋轉(zhuǎn)/穩(wěn)態(tài)剪切施加一個恒定的剪切速率材料產(chǎn)生的剪切應(yīng)力粘度用不同的速度攪拌醬料，感受阻力大小
振蕩/動態(tài)剪切施加一個正弦波形式的微小應(yīng)變材料產(chǎn)生的應(yīng)力及其相位差粘彈性模量（G', G''）輕輕晃動果凍，觀察它如何彈回和流動
蠕變測試施加一個恒定的應(yīng)力材料隨時間的應(yīng)變變化柔量、屈服應(yīng)力在牙膏上放一枚硬幣，看它多久會塌陷
應(yīng)力松弛測試施加一個瞬時的應(yīng)變并保持材料內(nèi)部的應(yīng)力隨時間衰減的過程松弛模量拉伸一根橡皮筋后固定長度，感受拉力的逐漸減小
3. 典型使用流程
樣品準備與加載： 根據(jù)樣品性狀（液體、膏體、固體）選擇合適的測量夾具（如平行板）。將樣品精確加載到夾具上，注意避免引入氣泡。
溫度控制： 設(shè)定并等待測試溫度穩(wěn)定。溫度對流變性能影響極大，因此溫控系統(tǒng)至關(guān)重要。
選擇測試模式與方法編輯： 在電腦軟件上選擇上述的一種或多種測試模式，并設(shè)置參數(shù)（如剪切速率范圍、振蕩頻率、應(yīng)力大小等）。
執(zhí)行測試： 啟動測試，儀器自動運行并收集數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)分析： 使用軟件對獲得的曲線（如流動曲線、粘度曲線、模量曲線）進行分析，解讀材料的流變特性。
三、 基本應(yīng)用
流變儀的應(yīng)用極其廣泛，幾乎覆蓋所有涉及材料研發(fā)和生產(chǎn)的領(lǐng)域。
行業(yè)/領(lǐng)域應(yīng)用舉例具體測量目的
高分子材料/塑料聚合物熔體、塑料、橡膠優(yōu)化加工條件（注塑、擠出），評估分子量和分布，研究固化過程。
食品工業(yè)巧克力、醬料、酸奶、面團控制口感、穩(wěn)定性、涂抹性，研究淀粉糊化、蛋白凝膠化過程。
化妝品/個人護理乳液、膏霜、洗發(fā)水、牙膏設(shè)計理想的膚感（易涂抹、不滴落），評估懸浮穩(wěn)定性，確定泵出性能。
涂料/油墨油漆、油墨、粘合劑確保良好的流平性、抗沉降性，并具有合適的刷涂或印刷粘度。
制藥藥膏、凝膠、混懸劑保證藥物質(zhì)地均勻、易于涂抹或注射，控制活性成分的釋放。
水泥/建材水泥漿、陶瓷漿料預(yù)測澆注和成型性能，防止離析，優(yōu)化添加劑配方。
生物材料細胞支架、水凝膠模擬體內(nèi)力學(xué)環(huán)境，研究材料與細胞的相互作用。
能源/電子電池漿料、導(dǎo)電銀膠優(yōu)化涂布工藝，確保成分均勻分布，防止沉降。
流變儀超越了簡單的“粘度計”，它能全面揭示材料在不同條件（應(yīng)力、應(yīng)變、時間、溫度）下的復(fù)雜力學(xué)行為。通過將宏觀的力學(xué)響應(yīng)與材料的微觀結(jié)構(gòu)（如分子鏈纏結(jié)、顆粒相互作用）聯(lián)系起來，流變學(xué)測量成為產(chǎn)品設(shè)計、工藝優(yōu)化和質(zhì)量控制的強大工具。
