流变仪作为一种用于测量物质流变特性的仪器，广泛应用于高分子、食品、化妆品、医药、化工等领域。它能够测试物质在不同剪切速率下的流动行为、粘度变化等参数，从而揭示物质在不同条件下的力学性质。为了理解流变仪的工作原理，首先需要了解流体的基本概念和流变学的基本理论，尤其是牛顿流体力学理论。
一、牛顿流体力学基础
牛顿流体力学为理解仪器工作原理提供了理论基础。牛顿流体是指那些遵循牛顿粘性定律的物质，其剪切应力与剪切速率呈线性关系。这一关系可表示为τ=ηγ̇，其中τ为剪切应力，γ̇为剪切速率，η为流体的粘度系数。粘度作为流体的内在属性，反映了其抵抗流动的能力，是仪器测量的核心参数之一。
在流体流动分析中，剪切应力描述了流体内部由于速度梯度而产生的内摩擦力，而剪切速率则表征了速度随位置变化的快慢。牛顿流体的粘度在一定温度和压力条件下保持恒定，不随剪切速率的变化而改变。这一特性使得牛顿流体的流变行为相对简单，为流变测量提供了理想化的模型系统。
二、基本构造与类型
流变仪主要由三大部分组成：驱动系统、测量系统和温控系统。驱动系统负责施加可控的应力或应变，测量系统则用于检测样品的响应，而温控系统确保实验条件的一致性。根据测量几何的不同，它主要分为旋转式（包括同轴圆筒、锥板和平行板）和毛细管式两大类。
旋转式通过旋转部件对样品施加剪切，测量扭矩和角位移来推算流变参数。其中，同轴圆筒设计适用于低粘度流体，锥板几何可提供均匀的剪切场，而平行板则便于处理含有颗粒的样品。毛细管则通过测量流体在压力驱动下通过细管的流量来评估其流变特性，特别适合高剪切速率条件下的测量。
三、工作原理
在剪切测量模式下，它通过精确控制旋转部件的运动，在样品中建立稳定的速度梯度。根据牛顿粘性定律，仪器测量的扭矩与流体的粘度直接相关。对于同轴圆筒系统，粘度可通过η=M(κ²-1)/(4πhωR₂²κ²)计算，其中M为扭矩，h为圆筒高度，ω为角速度，R₂为外筒半径，κ为半径比。
动态振荡测试是流变仪的另一重要功能，通过施加小幅振荡应变，同时测量应力响应，可获得储能模量(G')和损耗模量(G")。对于牛顿流体，G'为零而G"=ηω，这反映了其纯粘性特征。它的数据采集系统实时记录这些响应信号，通过傅里叶变换等数学处理，提取材料的流变学参数。
四、牛顿流体在流变测量中的表现
牛顿流体在流变测量中展现出鲜明的特征性行为。在稳态剪切实验中，其粘度不随剪切速率变化，流动曲线呈现水平直线。动态测试中，相位角恒为90°（应力与应变速率同相），且G'为零。这些特征可作为判断流体是否符合牛顿模型的依据。
实际应用中，许多简单液体如水、矿物油和低分子量溶液在较宽剪切速率范围内表现出牛顿行为。通过仪器测量这些体系的粘度，不仅验证了仪器的准确性，也为非牛顿流体的研究提供了基准。值得注意的是，温度对牛顿流体粘度的影响显著，通常遵循阿伦尼乌斯关系，这要求流变测量时必须严格控制温度条件。
