悬浮体系作为“软玻璃态物质”(Soft Glassy Materials, SGM)中的一类,表现出来的介于固体和液体之间的复杂流动是凝聚态物理中众多极具挑战性问题之一。虽然很多研究者都认同复杂流体中的动态不均匀性(dynamic heterogeneities),但是关于它产生的机理与动力学过程、是否与流动相关以及如何关联依然是尚未解决的问题。其实这些问题的背后是体系存在比较复杂的局部流动机理和微观结构。传统流变学方法能在多大程度上反映这类体系的复杂流动以及如何反映复杂流动背后的更小尺度上的流动机理和微观结构是复杂流体流变学研究中的重点之一。近年来逐渐发展起来的局部测量技术无疑给复杂流体流变学研究带来了强有力的帮助以及更多的关注。另外,对于描述复杂流体流动的理论模型来说,如何能在合理描述体系表观流动的基础上更进一步描述体系的局部或微观流动以及结构是目前理论模型发展的一个中心任务。本文以球形硬颗粒填充牛顿基体组成的浓悬浮体系为研究对象,通过传统流变学方法、傅里叶变换流变学(FTR)方法以及粒子追踪测速(PTV)方法,对悬浮体在瞬态剪切流场和大振幅振荡剪切(LAOS)流场下的表观流变性质和局部流动行为进行了研究,发现了特定条件下的表观流变性质无法区分体系的结构性差异,揭示了局部流动行为在区分体系结构性差异性方面所起的作用,明确了表观流变性质如何通过考虑局部流动来反映体系的真实流动行为,阐述了体系在局部尺度上的流动机理以及影响因素,评判了当前主要触变理论模型在表观流变以及局部流动中的综合预测能力。本论文主要研究内容及结果如下：1.对于大颗粒填充牛顿基体组成的非胶体体系,体系结构很大程度上取决于颗粒浓度,结构的浓度依赖性反映在表观流变性质上表现为特征流变参量的浓度依赖性。首先利用多种表观流动方法考察了表观流动区域的转变、动态平台模量的转变、表观线性与非线性间的转变以及触变性的转变,明确了这些转变的浓度依赖性,以及发生从类液态到类固态的静态转变时的临界浓度φc=49.5±1.5%。在此临界浓度下,经过模型估算得到颗粒之间平均面间距d存在临界值dc,低于此临界值dc时,颗粒间的平均面间距随着浓度增大而急剧下降,颗粒间的相互作用急剧增大进而使得体系发生向类固态的转变。其次,通过设计两组不同的剪切历史,考察短剪切历史(SSH)和长剪切历史(LSH)对不同浓度体系表观流变性质的影响,研究剪切历史是削弱还是增强表观流动性能对结构的浓度依赖性的反映。研究结果表明,长剪切历史下表观流动曲线无法区分低浓度和高浓度体系。这意味着长剪切历史能促使浓度低于临界浓度的浓悬浮体(φ<φc)表现出与浓度高于临界浓度的悬浮体(φ>φc)一样的表观流变性质,即发生了动态液固转变。根据对颗粒间平均间距随浓度变化的估算,动态液固转变发生的根本原因在于经过长时间剪切后体系中参与颗粒网络结构的粒子数目增多,超过了临界参与网络结构的颗粒浓度φnetwork°2.既然长剪切历史下表观流动曲线无法区分结构的浓度依赖性,那么是否可以通过LAOS流场下的非线性来分析剪切历史对结构的影响呢?首先利用FTR方法对长剪切历史下不同浓度体系表观流动非线性响应进行分析对比。研究结果表明：发生液固转变后的低浓度体系φ<φc的结构与高浓度体系φ>φc结构存在显著不同,这种结构上的区别影响了体系的局部流动行为,其中对高浓度体系φ>φc的影响最为显著。长时间剪切后,高浓度体系由于聚集在剪切方向上拉伸区域内的颗粒数目要高于低浓度体系,使得体系非均一化程度较高,导致体系在剪切增稠出现之前将很难从固液共存区过渡到全局流动液体区,而是直接从固液共存区直接转变到剪切增稠区。然而对于低浓度体系,无论剪切历史长短,其流动区域随着应力的增大均依次表现为：不流动类固区；固液共存不均一流动区；全局均一流动区和增稠区。3.表观流变行为的一致性并不能代表微观结构甚至局部流动行为的一致性,那么如何使表观流变性质真实反映材料的局部流动行为呢?通过调节悬浮体系中基体粘度大小控制体系的沉降程度,并借助于PTV方法在线观测颗粒的运动速度及分布,来研究体系在LAOS流场下的局部流动行为差别以及表观流变与局部流动之间的关联。研究结果表明,重力与粘性力之间的竞争与平衡促使体系出现屈服应力和剪切带现象。在沉降明显的体系中,表观流动呈现出明显的固液转变现象,对应的局部流动表现出显著的剪切带现象,同时伴随壁面滑移速度的应力依赖性在表观流变转变区内表现出不连续的转变。此时体系的表观流变性质完全取决于低剪切区域内的局部流变性质,在高剪切区域内,无固液转变,表现为纯粘性流动。在沉降可忽略的体系中,表观流动无固液转变,均以粘性流动为主,对应的局部速度分布为连续线性分布,壁面滑移速度的应力依赖性同样始终保持不变。如果扣除壁面滑移因素,忽略沉降的体系其表观流变性质能够反映真实的局部流变性质。4.通过控制体系的均匀性和稳定性可以在一定程度上实现表观流变对局部流动的反映,那么如何能进一步将表观流变与材料结构关联?由于表观流变非线性反映材料的结构和壁滑信息,而局部流变非线性直接并只是反映材料的结构信息,因而我们应用FTR方法对这两种非线性强度随流场强度的变化进行对比分析。研究结果表明：壁面滑移对二次谐频相对强度I21贡献较大,而对三次谐频相对强度I31无贡献；屈服应力对I21贡献较大。通过表观流变得到的I31与局部流变得到的I31均表现出形同的应力依赖性,这说明表观非线性中的I31同局部非线性中的I31一样反映了体系的结构状态,并且不受动态壁面滑移的影响。5.当表观流变无法真实反映材料局部流动行为时,那么真实的流动过程又是如何进行的呢?利用PTV方法考察了悬浮体在瞬态流场中的局部流动过程。研究结果表明,在不同的流场强度下,剪切带表现出不同的时间演化过程,并且壁面滑移在其中扮演了比较重要的角色。具体来讲,当表观剪切速率低于临界速率时(γa<γc),体系结构没有被破坏,但是发生了一定的形变并且随着剪切时间的增大出现了断裂,使得局部速度分布表现出极其不连续,即由多个零剪切速率区域组成。而且,两壁面滑动程度的剧烈波动容易加剧速度分布的不连续性。而当表观剪切速率接近临界速率时(γa≈γc)时,剪切带中另外还出现了相对较高剪切的区域,表明体系结构既有剪切导致的破坏流动又有部分断裂。当表观剪切速率超过临界速率(γa>γc)或剪切应力超过屈服应力(σ>σy)时,结构在开始阶段就出现破坏,此时运动板的滑动远大于静止板的滑动,使得结构破坏产生的高剪切带处于静止板附近,而低剪切带处在运动板附近。之后随着剪切时间的延长或剪切速率、应力的增大,低剪切区域逐渐消失,取而代之的是体系发生整体均匀流动。另外,在控制应力条件下,当施加应力低于屈服应力时,体系结构没有被破坏,但此时应力若超过滑移应力σ’y,体系只滑动不流动。6.对表观流变性质与局部流动行为的预测是当前乃至今后模型发展的主要方向。当前主流触变理论模型主要集中在对表观流变预测方面,然而,对表观流变性质的预测效果来讲,不同模型给出的结果差异截然不同,更别论对局部流动行为的预测。我们首次经过综合分析对比研究了其中一些典型模型的预测能力。结果发现,结构因子模型表现出较好的预测能力,并且可以通过适当的简化来描述简单屈服应力流体的表观流变性质。其中,λ-DM model和λ-C model是结构因子模型中两个预测效果最好的模型。λ-DMmodel对表观流变性质有较强的预测能力,特别是对触变型屈服流体的触变特性以及颗粒网粘弹作用的预测能力较强,原因在于该模型对结构因子演化的精细描述以及对各部分应力贡献的界定。然而,该模型的一大不足是无法对局部流动行为进行描述。λ-C model虽然形式简单却能描述几个比较关键的现象(如粘度分叉、aging、剪切带),原因在于模型允许结构因子在低流场强度下进行无限制增大,使得结构重建作用在一定条件下完全主导结构的变化。然而对于没有结构老化的体系来讲,材料在流动逐渐减弱时表现出的流动停止过程能够通过结构老化来处理,但是这种处理不能简单的应用到其它流动过程中。另外,对于有较强网络结构的体系,如何描述粘弹行为将是今后模型改善的重点。
