《聚合物流变学及其应用》内容框架和学习方法详解

本书是在聚合物化学、聚合物合成工艺原理、聚合物物理和工程力学等课程的基础上，介绍聚合物流变学的基本知识和应用。本书是为本科生写的教科书。但是，本书伸缩性很大，如果往深里讲，介绍本书的所有内容，也可以用于研究生的教学。本书也为工程科技人员聚合物材料及其制品的设计优化、加工的工艺和设备的优化提供必要的基础知识。本书共包括4部分。

第一部分包括第1章至第3章。考虑到学生不了解聚合物加工过程，大部分学生没有应用数学和黏性流体力学的基础。这部分介绍聚合物加工成型过程，重点介绍学习流变学必备的数学物理知识和流体力学的知识。根据学生性质和基础，教师确定讲授第2章至第3章的内容和授课的学时数。聚合物流变学是交叉边缘学科，必须具备一定数学物理基础和黏性流体动力学基础知识，才能学习后面的章节。

第二部分包括第4章至第7章。考虑认知规律，将复杂的聚合物流变学问题，拆分成独立的简单问题，便于读者循序渐进地学习。这部分介绍聚合物流体的流动特性和影响因素、流变本构方程、简单截面流道聚合物流体的流动和聚合物材料典型加工成型过程的流动分析。

第三部分第8章介绍流变仪测量的基本原理及其应用，为工程技术人员正确地使用流变仪，处理流变测试的数据打下必要的基础。

最后一部分包括第9章和第10章，综述了陈晋南课题组聚合物加工成型过程流体流动的数值分析和单聚合物复合材料成型制备新技术，用大量科研实例介绍聚合物流变学的具体应用。

下面介绍的授课和学习方法是为本科生教学设计的。如果没有特别强调就需要学习每章的具体内容。按照48学时分配每章的授课学时数。

第1章 绪论分为3节，授课2学时。第1.1节聚合物流变学的发展和基本概念，简介聚合物流变学发展史和基本概念；第1.2节流变学研究的意义和内容，介绍聚合物现代加工成型过程和流变学研究的具体内容；第1.3节本书的内容框架和学习方法。教师重点讲授第1.1节和1.2.2节，学生自学1.2.1节聚合物现代加工成型过程和1.3节内容，以完成本章的相关作业考核学生学习情况。

第2章 流变学的数学物理基础分为4节，授课6学时。第2.1节矢量分析，介绍矢量函数概念和矢量函数的基本运算；第2.2节二阶张量，介绍二阶张量的性质和张量的基本运算；第2.3节流体运动的描述和基本定律，介绍描述流体运动的基本知识、传递过程的重要定律和通量、物理量的质点导数；第2.4节场论概述，介绍数量场、矢量场、张量场、正交曲线坐标系中场的变化率。根据学生具体的数学基础，选择讲课的重点，为后面学习聚合物流变学打下必要的基础。

第3章 黏性流体动力学问题的数学表述分为3节，授课6学时。第3.1节流体运动的形式和本构方程，介绍流体运动的分类和分解、力的分类和应力张量、表述应力与变形关系的本构方程；第3.2节黏性流体流动的控制方程，介绍工程问题数理模型建立的步骤，分别推导建立连续性方程、运动方程、能量方程；第3.3节控制方程组与定解条件，归纳汇总介绍黏性流体传递过程的控制方程组、工程问题的初始条件和边界条件。根据学生具体的流体力学基础，选择讲课的重点，重点介绍连续性方程、运动方程和能量方程的一种推导方法。

第4章 聚合物流体的流动特性和影响因素分为3节，授课6学时。第4.1节流体的流动特性和分类，分别介绍牛顿流体、非牛顿流体、黏弹性流体的弹性参数；第4.2节聚合物分子参数和配合剂对熔体流变性的影响，介绍聚合物相对分子质量及其分布对流体黏度的影响、分子结构对流体黏度的影响、配合剂对聚合物流体黏度的影响；第4.3节聚合物加工工艺条件对材料流变性的影响，介绍温度对流体黏度的影响、剪切速率对流体黏度的影响、压力对流体黏度的影响。本章每小节授课2学时。

第5章 流变本构方程分为3节，授课4学时。第5.1节黏性流体本构方程的概述，介绍本构方程的定义和分类、本构方程的确定和判断；第5.2节黏性流体的本构方程，介绍广义牛顿流体的本构方程、黏弹性流体的本构方程；第5.3节本构方程的比较和选择，介绍本构方程选择的方法和原则、本构方程特性的比较。教师授课重点是本构方程的特性比较、选择的方法和原则。

第6章 简单截面流道聚合物流体的流动分析分为4节，授课8学时。第6.1流体的压力流动，介绍平行平板流道流体的压力流、圆管流道流体的压力流；第6.2节流体的拖曳流动，介绍两平行板流道流体的拖曳流动、圆管流道流体的拖曳流动；第6.3节流体的非等温流动，介绍平行平板流道流体的非等温拖曳流动、圆柱管流道流体的非等温压力流；第6.4节流体的非稳态流动，介绍两平行平板流道流体的非定常流动、流体非稳态流动的斯托克斯问题。教师重点讲授第6.1和6.2节，重点介绍流动问题的假设体条件，如何简化控制方程和确立具体流体流动的控制方程，学生自己学习具体求解方程的过程。根据学生基础，确定是否讲授6.3节和6.4节。(www.xing528.com)

第7章 聚合物材料典型加工成型过程的流动分析分为4节，授课6学时。第7.1节挤出成型过程，具体分析单螺杆挤出过程流体的流动、机头口模流道物料的流动、挤出加工熔体流动的不稳定性、稳定挤出过程的方法；第7.2节注塑成型过程，介绍注塑成型设备工作原理、充模压力和制品残余应力的分析；第7.3节压延成型过程，介绍压延机的基本结构、辊筒缝隙黏性流体的流动；第7.4节纺丝成型过程，介绍纺丝成型工艺、稳态单轴拉伸聚合物的流动、单轴拉伸黏度的实验测定、物料的可纺性与分子参数的关系、拉伸流动的不稳定现象。本章可以根据学生的具体情况和学时数，取舍具体讲授的内容。教师仅讲授7.1节单螺杆挤出过程流体的流动。根据学生人数拆分其他小节的内容，分给每个学生。让每个学生到讲台用4~6分钟ppt介绍自学心得，让学生互评打分。这种学生参与性互动的“教与学”方法，激发学生主动学习的积极性，让学生运用前面学习的知识，分析一个具体的聚合物材料加工成型过程和流动问题，提高学生学习和分析问题的能力，并不需要学生掌握每种聚合物典型加工过程的流动分析。有了基本知识和学习能力，今后根据工作需要，未来的科技工作者会自己学习。

第8章 流变仪测量的基本原理及其应用分为4节，授课6学时。第8.1节流变测量学导论，介绍流变测量的意义、流变测量的原理和分类；第8.2节毛细管流变仪，介绍毛细管流变仪工作原理、完全发展区流场的分析、入口区流场的分析和Bagley修正、出口区流体流动的分析；第8.3节其他类型流变仪的测量原理，介绍旋转黏度计、落球式黏度计、混炼机型转矩流变仪、聚合物液体的动态黏弹性测量；第8.4节流变测量仪的选择使用和数据处理，介绍流变测量仪选择使用的基本原则、流变测试数据的拟合和本构方程的确立、聚合物的流变主曲线。教师授课的重点是8.1，8.2和8.4节，学生自学8.3节，以完成本章的相关作业考核学生学习情况。

第9章 聚合物加工成型过程流体流动的数值分析分为5节，授课2学时。第9.1数值模拟聚合物加工成型过程的基础知识，介绍聚合物常用商业软件和基本结构、数值模拟聚合物加工成型过程的基本方法。第9.2节聚合物螺杆挤出加工成型过程的数值模拟给出4个典型案例，第9.3节聚合物模具挤出成型过程的数值模拟给出4个典型案例，第9.4节聚合物挤出注塑成型过程的数值模拟给出2个典型案例，第9.5节聚合物挤出吹塑成型过程的数值模拟给出3个典型案例。老师重点介绍第9.1节数值模拟的基础知识，后面部分由学生自己阅读和学习。每个学生提交一份阅读本章提供的英文文献的综述报告，计入期末考试的成绩10%。详见第9章练习题。

第10章 单聚合物复合材料成型制备新技术分为3节，授课2学时。第10.1节单聚合物复合材料的研究进展，第10.2节单聚合物复合材料的研发与聚合物流变性能给出3个典型案例，第10.3节单聚合物复合材料注塑成型制备与其性能给出2个典型案例，第10.4节单聚合物复合材料挤出成型制备与其性能给出1个典型案例。老师重点讲授第10.1节单聚合物复合材料的研究进展，后面部分由学生自己阅读和学习。每个学生提交一份阅读本章提供的英文文献的综述报告，计入期末考试的成绩10%。详见第10章练习题。

本书仅入门地介绍聚合物流变学的数学物理基础和流体动力学基础，对于各种数学、流体动力学理论和方法的讨论，立足于应用，保留了部分定理、性质证明，大多没有进行严密的推导和证明，着重培养和训练如何将聚合加工成型的工程问题抽象成数学物理模型和黏弹性流体力学的问题，如何应用各种数学方法求解问题的能力，阐述解的物理意义的能力。因为建立数学物理模型不仅需要数学和流体力学的知识，而且需要聚合物工程的知识，依靠对试验和工程问题认识的水平。通过本教材的学习为应用聚合物流变学打下必要的基础。为了方便读者自学，详细推导一些求解具体问题的控制方程，仅给出中间过程每个步骤的阿拉伯数字的简单序号，按照章节排序给出重要公式的编号，用a，b等变化区分同一性质公式不同表示的公式。

在本书第1章，编著者给出许多参考文献。每一章引用的参考文献列在每章后面，并标注了相应的页码，以方便读者使用。编著者“恪守科学道德准则，遵守科研活动规范，践行科研诚信要求，…”^[30]，学习国外专著给出所有公式和实验数据图的出处。编著者花了很多时间落实本书引用的所有实验数据图的第一出处或间接出处，一是尊重保护知识产权，二是方便读者的学习。以避免发生把以Tanner的学生PhanThien和他的名字命名著名本构模型PTT误写成PPT的类似错误。读者可查阅标注的参考文献进行深入学习和研究。

在内容叙述上，编著者尽量做到基本概念解释详尽、解题推导步骤清晰，便于读者自学。在讲解重点和难点理论时，附有不少例题以便于自学，部分例题给了参考文献。有的例题仅给了解题的主要思路，没有给出最后的结果，有意识地将书中的有些问题留给读者在练习中完成，不少练习题是书中内容学习的延续。根据每章的学习要求，编者自编和从参考书中选择一定数量的练习题。绝大部分计算题给出了答案，以供读者学习和核对自己学习的结果。书中直接引用英文专著的部分英文图和练习题，书中附录4索引给出每个物理量的英文，期望读者通过专业学习，提高专业英语阅读水平，也方便读者查阅外文的专业书籍。

1986年，陈晋南辞掉公职自费到美国攻读硕士和博士学位。1988年，陈晋南获得硕士学位和讲师奖学金攻读博士学位，给大学本科生讲授计算机辅助设计课程，一年级学生学习计算机制图，三年级本科生学习软件I-DEAS设计零件和用有限单元法分析设备的强度。在20世纪80年代后期，美国大学本科生已经学习数值模拟技术。随着信息技术的发展，每个工程科技人员必须学习应用数学和数值计算的知识，提高应用信息技术的能力，使用聚合物材料的模拟软件提高材料的自主创新能力。通过本课程的学习，了解数值计算的基本知识。

编著者期望，读者认真阅读教科书基本内容，学习演算每道例题，完成每章的习题。尽可能多做练习题，这是吸收和消化理论知识的最好方法。在美国攻读博士的学习过程中，陈晋南体会到，不动手做数学和流体力学的练习题，就无法掌握任何数学和流体力学知识。通过演算每道例题和完成练习题，可以加深对书中内容的理解，培养学习、思考和解决问题的能力，才能从本书的学习中学到所需的知识。

编著者期望，在大学学习阶段，教师和学生都要努力实践国际高等教育的质量观“学会认知、学习做事、学会合作、学会生存”，通过大学每门课程的学习，提高自己的四会能力，走上工作岗位时，能学以致用地把大学学的知识用到工作实践中去。

2018年5月28日^[30]，在中国科学院第十九次院士大会、中国工程院第十四次院士大会上的讲话中，习近平主席指出：“中国要强盛、要复兴，就一定要大力发展科学技术，努力成为世界主要科学中心和创新高地。”习近平主席深切地说：“一代人有一代人的奋斗，一个时代有一个时代的担当。”“青年是祖国的前途、民族的希望、创新的未来。青年一代有理想、有本领、有担当，科技就有前途，创新就有希望。”期望同学们毕业后，做有理想有抱负的科技工作者，投身国家科学技术和经济建设中，为实现中国强国梦添砖加瓦，奉献人生。