旋轉流變儀如何選？

流變儀有很多種，毛細管流變，轉矩流變，旋轉流變儀，這里只聊聊旋轉流變儀。以下列表是主要流變儀的生產廠家以及業務涵蓋的主要機器類型.

從列表中很容易得到結論，世界上主要的流變儀供應商只有四家，Anton Paar，Haake,耐馳和TA儀器。那么接下來就聊一聊，如何選擇一款適合自己的旋轉流變儀。

一、旋轉流變儀的分類

1.1 是粘度計還是流變儀？

流變，顧名思義，包含了流動和形變。只有這兩方便的功能都具備了，才是一款真正的流變儀。市面上有些品牌，功能上只可以測試流動，但也叫流變儀，難免有點指鹿為馬。因此，流變儀應該具有三種模式：控制速率模式，控制應力模式和控制形變模式，缺一不可。否則，就只能歸類到粘度計了。以下所描述的流變儀，都是包含了三種模式的測試儀器。

1.2 流變儀的分類

去網上簡單搜索下，發現流變儀的叫法五花八門。有平錐板流變儀的，有高溫高壓流變儀的，有界面流變儀的。在這里，我統一以下分類的方法，分為控制應力型流變儀和控制形變型流變儀。其他的叫法只是在溫控附件或者測試夾具上做了特別說明而已。

（1）控制應力型流變儀

這是一類非常常用的一類流變儀，在市面上絕大多數的設備都可以歸入此類。驅動馬達，軸承，轉子，傳感器都集成在一個單獨的測量頭上。傳感器的扭矩來自于三部分：

M_總=M_軸承+M_樣品+M_轉子

其實我們需要測量的是樣品的扭矩，因此，儀器在設計的時候需要盡可能減小來自軸承和轉子的背景噪音。但是，這一部分的噪音不能從根本上得到消除。各個廠家在產品研發和優化設計上，就各顯其能，多種技術手段競相迸發，以至于讓客戶選擇的時候多少有點眼花繚亂。

這一設計的優點：

1、這一結構相對的降低了設備的制造成本，使得流變儀的價格相對便宜了（與形變控制的比較）。

2、空氣軸承+托杯馬達或者磁懸浮軸承的組合，提高了設備的靈敏度，至少在工業應用領域或者小形變測試領域，滿足測試需求；

3、底座靜止不動，為設備的模塊化應用通了可能，比如拉曼光譜聯用，紅外光譜聯用，高溫高壓密閉單元等；

4、豐富的溫控模塊控制，既可以半導體，同軸圓筒，也可以液體溫控和CTC輻射對流爐。

5、可以兼容多種測試夾具，同軸圓筒，平錐板以及其他各類型的轉子；

但是也有缺點：由于力(扭矩)是在運動頭上“量測”，因此，軸承摩擦、系統慣量(非勻速運動情況)成為不可避免的測量噪音。想要克服或者優化這一天生的缺點，配置低慣量的馬達、軸承和轉子就顯得異常重要?；蛘?，整體成為系統慣量。如下圖所示，有一部分數據失真是由于系統慣量的存在造成的。很容易識別從馬達啟動到1S時間內，形變有大幅度的震蕩。這在蠕變測試中較為常見。

所以，在考察一款流變儀的時候，需要重點考量設備的系統慣量，針對測試的精準性和重復性有重要影響。當然，某些品牌的系統慣量很大，他們在軟件端的數據處理上下了一番工夫，對數據做了優化處理，也獲得不錯的曲線結果。但本人始終認為，作為一臺分析測試設備，首先要忠實的反映材料的原本特性，然后在客觀的基礎上對數據進行科學的處理優化，這樣似乎更加符合科學研究的初心和本源。從這個角度來看，賽默飛HAAKE的設備均衡各種因素，把系統慣量做到了業內非常理想的狀態，至少目前是這樣的一種技術狀態。隨著科技的進步，肯定會有新的技術持續進化、持續迭代，把應力控制性的流變儀這一分析測試平臺推向嶄新的發展階段。

（2）應變控制型流變儀

這類設備的傳感器在上端，驅動馬達在底座上，一般稱為雙頭型流變儀（有的廠家是雙驅動馬達）。簡要如下圖：

力在靜止頭上量測，因此，量測的力為純粹的樣品響應。因此：

M_總=M_樣品

在這臺設備上，轉子，軸承的背景摩擦都消除了，測試的扭矩直接就是樣品的反饋。這樣帶來的好處顯而易見：

1、消除了背景摩擦，雙頭設計，可以獨立、準確、直接測試應力和應變。

2、可以更好開展大形變、大振幅條件下的探測測試，最大扭矩可以達到800mNm.

3、可以做正交疊加和小振幅的各向異性探究。

但是這臺設備的缺點也是十分明顯：價格昂貴。如果你是純粹的做流變理論研究的，或者對大振幅、大形變感興趣的，這是一款不錯的選擇；但是如果你想從分子角度來研究一些化學變化的機理，需要借助一些光譜設備，甚至是顯微鏡等聯用技術的時候，這臺設備的結構決定了，這是行不通的。

流變儀的分類基本籠統的掰扯清楚了，那面對不同行業，不同用戶需求的時候。這些流變儀該怎么選擇呢？

1.3 硬件組成的差異

一臺流變儀，硬件部分由以下幾部分構成：

測量頭：這是設備的核心部件，由軸承，馬達，法向力傳感器，光學編碼器等集成組成；

升降裝置：這是一臺精密的步進電機組成，精度可以達到1um；

底座上的溫度控制模塊：溫控通常有半導體、電機熱、液體循環浴和對流爐組成，有的廠商有高溫的爐子，可以耐受1600C的溫度測試；

其他附屬專門應用配件：在外光固化模塊，高溫高壓密閉單元，粉體流變配件，電流變和磁流變模塊等。

聯用技術專用模塊：紅外光譜模塊，拉曼光譜模塊等。

另外一個重要的選擇：測量夾具，或者叫轉子。這在下面的論述中會有詳細的描述。

（1）測量頭硬件差異

在這里面，最核心的就是測量頭的集成技術，也就是馬達和軸承技術，優缺點簡明如下：

（2）溫度控制模塊

很多人都認為旋轉流變儀和有一些簡單的分析儀器一樣有標準的配置, 包括了所有需要的部件和配件，只要買回去用就可以了。其實不然，旋轉流變儀現在發展到了一個比較成熟，同時也是很復雜的分析儀器系統了。由于旋轉流變儀的應用領域越來越廣，下面我先簡要說明一下目前可選的常用四種溫控系統，然后再就一些典型的應用推薦相關的配置：
     首先是廣受歡迎的半導體（Peltier）溫控單元。它是利用了半導體的一種特殊效應，通過本身溫度的升高或降低就能對平行板、錐板或同心圓筒的樣品控溫，原理簡單，控制方便，已成為研究精細化工、食品、化妝品、涂料、油墨等流變性能的溫控系統。Peltier半導體溫控方式的溫度上限可以到200°C，基本滿足了上述領域對高溫測試范圍的需要。其溫度的下限極限可以到達-60°C，也能滿足很多低溫測試的要求了。而且它最大的優點是升降溫速度超快，最快可以實現60°C/分鐘的變溫速度，溫控的精度也能達到0.1~0.2°C。不過半導體溫控系統一定要接一個循環裝置，不管是水冷還是風冷，用于保護溫控系統不要過熱燒毀。另外要實現零度以下的溫度測試，外接循環裝置也要具有降溫能力，這樣才能輔助Peltier系統降到更低的溫度。比如說要Peltier系統降到-40°C，那么外接循環器也要能降到-20°C。
      第二種溫控方式就是電加熱溫控系統。說簡單些，就是電熱毯的加熱方式，可以實現平行板、錐板或同心圓筒的控溫。與第一種Peltier方式相比，電加熱方式的溫度上限可以提高到400°C（平行板、錐板）或者是300°C（同心圓筒），滿足相關高分子熔體和其它高溫測試的需要。由于加熱體本身的熱慣量較大，所以一旦到達設定溫度后，溫度波動小。特別是平行板、錐板測試樣品時，不會出現在裝樣過程中溫度大幅波動的問題。但同時帶來的不足就是電加熱系統升溫速度慢，視溫度范圍的不同，升溫速度在3~5°C/分鐘不等。好在可以在電加熱溫控系統中接入一套液體控溫的循環器，加速降溫，同時還能實現一些低于室溫的實驗。
     第三種溫控方式是直接接入液體控溫循環器的方法，俗稱水浴控溫。當然循環液既可以是水，也可以是溫度范圍更寬的硅油或水/乙二醇的混合液。這種控溫系統的溫度范圍就依賴與所接循環器的能力了，有溫度范圍窄的，也有從-40°C ~ 150°C的，不一而足。
   最后一種溫控方式是輻射對流爐。從名字上看就是相對較新的溫控方式，你猜的沒錯，溫控范圍從-150°C 到 600°C，是溫控范圍最寬的方式。簡單說就是電吹風+電熱毯雙系統，配合液氮低溫系統，是最無/敵的方式，也是最昂貴的溫控方式。適用于平行板、錐板、固體扭轉（DMA功能）、熔體拉伸、紫外固化等等，也是聚合物流變學通常選的方式。
   旋轉流變儀鼓勵客戶根據自己的需要選配一種或幾種適合于研究內容和方向的溫控系統，沒有最/好的溫控，只有最合適的溫控。
   所以下面推薦不同行業的溫控選擇：
   石油化工：電加熱 >Peltier > 輻射對流爐CTC > 液體控溫；
   易燃易爆樣品：液體控溫(安全性第一); 
   高分子：電加熱 > CTC> Peltier;
     油墨、涂料、食品、化妝品、藥物流變性能研究：Peltier >液體控溫。

（3）轉子的差異

在這一點上，也讓很多不熟悉流變儀的用戶頭疼不已。其實只要抓住一個關鍵點就行了，按和樣品接觸面積的大小來排序，同心圓筒轉子的面積大于平行板和錐板的面積，直徑大的轉子比直徑小的轉子能夠有更多與樣品接觸的面積。所以在同一臺流變儀相同的測量扭矩范圍之內，面積越大的，可以測量的粘度越低；而如果要測量高粘度、高剪切應力的樣品，就要選擇小直徑的轉子。目前商用流變儀中可以選擇的最小直徑的轉子是8mm，而最大直徑是60mm，各種形式的平行板、錐板和同心圓筒都有。
   如果是要測量比水粘度還低的樣品的話，還可以選用新型的雙狹縫同心圓筒轉子。
    不過還有幾個技術問題要解釋一下：
1.      很多人不清楚同樣直徑的平行板和錐板有什么用途？不同錐度的錐板又如何區別使用？簡單的說，平行板測試時樣品內部有剪切速率（剪切應變）的梯度變化，樣品變化是不均勻的。但這種方法簡單，操作方便，還可以做變溫實驗。而錐板測試可以接近于均勻變化的剪切場，錐角越小越好。但帶來的問題就是有大顆粒的樣品不宜用錐板測試，變溫實驗也不推薦用錐板。
2.      同心圓筒測試的一個理論前提是狹縫要足夠的小，這樣才能近似于等剪切流場。但由于不同粘度測試的需求，有很多設計上就逐漸偏離了這樣的原則了。
3.      同心圓筒樣品量相對比平行板、錐板測試樣品量要大，樣品溫度均勻所需要花費的時間更長。
    還有幾個特殊的場合：
1.      對于固化交聯的樣品，可以提供鋁制的可拋棄式的轉子；
2.      對于需要進行光學測量的樣品，可以選用石英玻璃制的平行板轉子；
3.      如果是電流變的樣品，可以選絕緣式的轉子；
4.   高溫高壓條件下的轉子，可以最高耐受600大氣壓，300°C的條件；

弄明白了以上三個重要的模塊之間的差異，接下來對于如何選擇流變儀，就變得相對容易且水到渠成了。

二、如何選擇適合的流變儀

寫到這里，發現越來越難寫。什么叫合適，仁者見仁，智者見智。我的標準是：既可以剛好滿足目前的需求，也可以為未來的發展留下余量。這只是單一的維度，其實在實際操作過程中，所要考慮的因素有很多，很難用統一的標準來定義或者闡述。因此，以下的觀點純屬一孔之見，僅供參考。

2.1 旋轉粘度計

談到流變儀，粘度計是一個繞不過去的設備。我在這里把旋轉粘度計分為 兩類：

相對粘度測量用黏度計：這一類是僅滿足IS02555,可以做單點測試或者簡單的粘度曲線的，黏度是相對粘度，轉速用RPM來表示的。

這類設備適用于簡單流體的粘度測試，非常適合用于QC部門。這類設備的供應商很多，國產的進口的，都滿足測試要求。如果預算充足，還是建議選用進口的。在這個領域，Brookfield是典型的代表。另外還有FUNGILAB，Lamy等品牌。

絕對黏度測量用黏度計：這一類是可以測試物料的流動特性，表征應力曲線，屈服應力和觸變性的，黏度是絕對黏度，剪切速率用S-1表示的，不可以測試形變的。

這類設備適用于簡單流體和復雜流體的流動測試，除了QC質量控制之外，還可以解決工程工藝和產品應用的問題，可以表征流動曲線，觸變性、結構恢復和屈服應力。這個設備，推薦多采用同心圓筒轉子。哈克的ISO粘度計/VTIQ或者安東帕的Rheolab QC/MCR72就屬于這一類。

這一類設備是一個相對經濟的選擇，可以很好的解決QC和工程工藝問題，與客戶所處的行業密切相關。鋰電池行業，陶瓷漿料，水泥砂漿，建筑采礦，金屬粉末，食品谷物，水果果醬，油漆涂料，污泥處理等行業，這類設備是個不錯的選擇。如果需要做進一步的研究和探討，功能受限，需要產品升級了。

由于單點黏度計天然的缺點，我的建議是如果預算允許，還是買一臺可以解決流動性的粘度計，在面對更多的分析需求時，更加游刃有余。

2.2 應力控制性流變儀

這是一類在市場上占有率和被使用廣泛的設備，兼顧了性能和價格，是最有性價比的一類。這一類的設備，該如何選擇呢？或者從幾個維度去做評估呢？

（1）系統慣量之馬達慣量

每個品牌，都有自己的技術專長，每個技術，各有利弊?；蛘邠Q句話說，每一個先進的設備，都是一個妥協的產物。因為，你不可能在一個復雜的系統中，做到每一個維度上的極/致。結果就是，總要折中，平衡，取得整體系統的最/優解。流變儀更不例外。

軸承和馬達的優缺點在前面有了論述，這里不再重復。這里只強調系統慣量，也就是整體系統最/優解的結果到底如何。先從慣量的概念入手。

慣量[inertia] ∶物質（物體）運動的慣性量值，表示慣性大小的物理量，其慣性大小與物質質量相應慣量：

其中r為轉動半徑，m為剛體質量。SI 單位為 kg·m²。

流變儀中的慣量包含以下幾部分：馬達慣量，這是馬達本身的轉動慣量。還有軸承慣量，轉子慣量和樣品慣量，這一部分合計為負載慣量。轉動慣量和負載慣量的集合，稱之為系統慣量。

這一概念僅僅是考慮測量頭、轉子和樣品的角度，不考慮結構上的差異以及應力分布。

這一指標的意義在哪里呢？

可以表征馬達電機的加減速。需要快速的停止和加速的應用場景，慣量越小越好。特別適合輕負載，高速度的場合。這恰恰就是流變儀測試需要的場景。

所以，為了降低系統慣量，需要采取低轉動慣量的馬達，比如托杯馬達，主要的流變儀廠家用的都是這個技術。這是一類單相感應電機技術，定子通過切割磁力線產生轉動轉矩帶動轉子轉動，因此產生和旋轉方向相反的轉矩。想要剎車改變方向，應在電機*停止以后，再轉換其旋轉方向。所以，這就需要低系統慣量的集成技術來配合這一個馬達，包括低轉動慣量的自身，以及空氣軸承和輕質的夾具，以及低慣量的流體。

所以，如果你測試的樣品粘度很低，測試之前一定要校正慣量，一個是軸承的，一個是轉子的。這個時候測試的結果才更穩定，更接近真值。

再來看永磁同步電機，也就是EC（Electrical Commutation）同步馬達，包含永磁無刷直流電機和永磁無刷交流電機。定子的永磁體直接和轉子產生的磁通勢產生驅動轉矩，同步旋轉做相對靜止的運動。這類馬達響應靈敏，加速度好，適合高負載高扭矩的場景。啟動快，加速快，帶來的另一方便就是剎車變得困難，轉動慣量大，導致在做瞬態測試或者高頻率測試的時候，數據反饋失真。另外一個優點，結構簡單，體積小，造價相對較低。兼顧了馬達的性能和經濟性，是高性價比的馬達技術。在哈克的中高/端產品VTIQ系列和MARS IQ系列用的這一技術。

【馬達技術聊到這里，基本理順清楚了。一家之言，萬勿拍磚。技術各有利弊，選擇對錯全靠運氣。我瀏覽了各家公司的產品參數，除了哈克MARS系列設備標注馬達慣量這一指標之外，其他各家均無說明。那就接著聊下一個，軸承慣量。】

（2）系統慣量之軸承慣量

軸承的區別，相對簡單。滾軸軸承，空氣軸承和磁懸浮軸承。一起學習下概念。

磁懸浮軸承(Magnetic Bearing) 是利用磁力作用將轉子懸浮于空中，使轉子與定子之間沒有機械接觸。其原理是磁感應線與磁浮線成垂直，軸芯與磁浮線是平行的，所以轉子的重量就固定在運轉的軌道上，利用幾乎是無負載的軸芯往反磁浮線方向頂撐，形成整個轉子懸空，在固定運轉軌道上。

優點很明顯：轉子可以運行到很高的轉速，具有機械磨損小、能耗低、噪聲小、壽命長、無需潤滑、無油污染等優點，特別適用于高速、真空、超凈等特殊環境中。但是，磁懸浮事實上只是一種輔助功能，并非是獨立的軸承形式，具體應用還得配合其它的軸承形式。體現到流變儀上，最直接的就是造價成本高。這是一項非常好的技術，獲得了更好的靈敏度，背景摩擦小，沒有油污污染的風險，但缺點也有。操作復雜，維護成本高，需要熟練且豐富的操作經驗。

空氣軸承（又稱為氣浮軸承）指的是用氣體（通常是空氣，但也有可能是其它氣體）作為潤滑劑的滑動軸承，利用空氣彈性勢能來起支承作用的一種新型軸承。如下圖，這是哈克MARS系列流變儀的測量頭中的軸承，一個軸向，兩個徑向。這個技術的優點非常明顯，精度高，速度耐受高，負載大。所以，在主要流變儀品牌中得到廣泛應用。對于流變儀來說，背景摩擦小，穩定，精度高。關鍵是，皮實耐操，維護成本低。風險也有，需要無油，無水，潔凈的空氣或者其他氣體提供彈性支撐，有污染的風險。

滾珠軸承是滾動軸承的一種，將球形合金鋼珠或者陶瓷珠安裝在內鋼圈和外鋼圈的中間，以滾動方式來降低動力傳遞過程中的摩擦力和提高機械動力的傳遞效率。這技術在粘度計或者中低端的流變儀中應用廣泛，摩擦適中，經濟實惠，但是缺點明顯，噪音大，靈敏度不夠，面對低粘度樣品或者復雜苛刻的粘彈性測試不推薦，這里強調下，不是說粘彈性不能做，可以測試，但是對于物料有所選擇。比如哈克的VTIQ測試粘彈性的時候要求黏度大于5000mpa.s就是這個道理。

總結一句話。站在軸承的角度來看，空氣軸承是兼顧了精度、靈敏度、成本、維護操作、耐用等各個因素之后的最/優選擇。當然，如果您預算充足且具有豐富的流變學測試經驗，磁懸浮軸承也是不錯的選擇。如果你買設備為了解決流動性的問題，一臺滾軸軸承的設備已經是綽綽有余了。

（3）系統慣量之轉子慣量

在轉子的硬件差異中，討論了轉子的不同的使用場景。這里只討論一個問題，轉子的慣量。

你任意打開一家公司的流變儀的轉子，都有一個*的轉子參數，慣量值，也就是這個轉子的負載慣量。以哈克為例子,隨著平行板直徑的增加，慣量顯著增加。

就意味著，如果扭矩在合理范圍內，或者流變儀的靈敏度足夠出色，選擇小的夾具對于測試來說是有利的。這一點對于瞬態測試或者震蕩測試尤為重要。

降低轉子慣量，簡單有效的方法就是降低轉子的質量，讓它變更輕。但是轉子的選擇是一個綜合考量的結果，質量之外，還要考慮耐化學腐蝕性能，以及隔熱性能。所以，這又是一個妥協的產物。對于哈克流變儀來說，全部的轉子都是鈦合金的材質，既具有好的耐化學性能，又比不銹鋼的質量輕，同時又兼顧了陶瓷桿的絕熱性。也正因為如此，哈克的測試轉子在所有品牌的流變儀中是最昂貴的。

（4）系統慣量之流體慣量

這個是我們往往忽略，但是在流變測試中經常遇到的問題。流體慣量的因素包含比重，密度，重度等。一句話，測試流體或者樣品的質量，密度，體積等。不管是瞬態測試、動態測試還是穩態測試，流體慣量一直存在，一直影響著測試的結果。

根據牛頓第一定律，物質有維持原有運動狀態的性質。那么哪些流體容易產生大的流體慣量呢？

比如高速剪切的水溶液，等速度迅速停止馬達剎車，水溶液還在以較高的速度做渦流或者拖曳流動，此時的傳感器就會產生一個負的扭矩信號。這是測試需要避免的。意味著高轉速對于低粘度測試的數據產生較大誤差。

另外一個，同心圓筒轉子需要15ml甚至更多的裝載量，和高速剪切水溶液類似，當馬達在控制減速的時候，由于流體慣量的存在，測試數據總會偏低。

因此，為了避免流體慣量的影響，建議如下：

1、面對低粘度樣品，選擇靈敏度高的流變儀設備，確保在低轉速可以獲取穩定的數據信號。

2、測試條件匹配的情況下，盡可能減少樣品裝載量；

3、避免做極/端測試，比如超出1000S-1的穩態剪切，甚至100HZ的高頻掃描，甚至100%的大振幅形變。

總之一句話，流變學學習好，測試好，是一個不斷進步的過程。每一個因素的考慮和取舍，都要因事因地制宜，綜合考察。

（5）其他的考慮因素

根據軸承和馬達，選定了測量頭之后，這一步最燒腦的工作完成后，需要考察的因素相對就簡單了。

溫控模塊，根據自己的行業特性和材料的溫度適用范圍來選擇就可以了，比較單一。

聯用模塊，紫外固化，高溫高壓，紅外光譜，小角散射，粉末測試，電流變，磁流變。根據需要，對癥下藥就可以。

還有一個因素，貿易壁壘和禁運。這個問題在近幾年非常突出。美帝國主義亡我之心不死，對我國的個別企業和研究機構圍追堵截。鑒于中德良好的雙邊關系，，貿易雖然受到了波及，但是通道還是暢通的，歐盟的許可使得尖/端的流變儀設備可以如常進入中國市場。

還有一個因素，法規的要求。這一點在制藥行業特別明顯。依據法規的要求，依葫蘆畫瓢就可以了，不會出錯。

其他的蘿卜白菜各有所愛了。一句話，客觀的講，買任何一家的設備，都是可以進行測試并且解決問題的，差別沒有大到一個天上，一個地下。

2.3 應變控制型設備

這個設備，是一個真實的應變控制流變儀，全球就TA一家。除了做流變學的理論研究，喜歡大形變測試測試之外，或者高校研究所使用之外，其余的行業，采買的意義值得商榷。當然了，您特別有錢，那就另當別論。

三、 小結

聊到這里，大致上如何選流變儀，聊得七七八八了。我做個選擇篩選流變儀的步驟，簡明如下：

（1）為什么要買流變儀？流變儀需要解決什么樣的問題？

（2）測試的材料有哪些特性？需要借助什么樣水平的設備來進行測試。

（3）有多少預算？根據預算匹配一套性價比的設備。

（4）設備除了硬件和軟件，更重要的是售前和售后支持團隊如何？（敲黑板，這個異常重要。不展開論述，自己體會或者向同行做下調研）

（5）硬件、軟件和售后服務，綜合考慮后，你會發現，你不斷的糾結、猶豫，哈克可能是一個最/優的的選擇。

聊到這里，旋轉流變儀暫告一個段落，接下來我要不斷的閱讀和學習了。你閱讀了關于流變學的書籍，掌握了基本的概念，對于流變儀的廠家，技術流派有了初步的了解。如果您正需要了解流變儀或者近期、甚至未來需要在工作中用到流變儀，給我電話吧。我在電話這端真誠歡迎您的到來。