11级高分子物理8 聚合物的高弹性和黏弹性.ppt
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1、聚合物的高弹性与黏弹性,第八章,2019/6/29,2,8.1 高弹性的热力学分析,2019/6/29,3,2019/6/29,4,2019/6/29,5,橡胶弹性具有如下特点: 弹性形变大,可高达1000%。而一般金属材料的弹性形变不超过1%,典型的是0.2%以下。 弹性模量小。高弹模量约为105N/m2,而一般金属材料弹性模量可达10101011N/m2。,2019/6/29,6, 弹性模量随绝对温度的升高正比地增加,而金属材料的弹性模量随温度的升高而减小。 形变时有明显的热效应。当把橡胶试样快速拉伸(绝热过程),温度升高(放热);回缩时,温度降低(吸热)。而金属材料与此相反。,橡胶弹性具
2、有如下特点:,2019/6/29,7,du=TdS+fdl,将长度为l的试样在f 作用下伸长dl。对于等温可逆过程,物理意义: 外力作用在橡胶上,一方面使橡胶的内能随伸长而变化,另一方面使橡胶的熵随伸长而变化。 或者说,橡胶的张力是由于变形时内能发生变化和熵发生变化而引起的。,(82),(81),8.1 高弹性的热力学分析,2019/6/29,8,拉伸过程中,dV=0,恒压下进行,dp=0.,(8-8),8.1 高弹性的热力学分析,du=TdS+fdl,2019/6/29,9,8.1 高弹性的热力学分析,物理意义:在试样的长度 l 和体积V维持不变的情况下,试样张力 f 随温度T的变化。,20
3、19/6/29,10,8.1 高弹性的热力学分析,理想高弹体,熵弹性,2019/6/29,11,当伸长率小于10时,斜率为负值,这种现象称为热弹转变现象。,8.1 高弹性的热力学分析,2019/6/29,12,8.1 高弹性的热力学分析,2019/6/29,13,8.2 高弹性的分子理论,2019/6/29,14,假定: 每个交联点由4根链组成,交联点是无规分布的; 两交联点之间的链网链为高斯链,其末端距符合高斯分布; 这些高斯链组成的各向同性网络的构象总数是各个网络链构象数目的乘积; 网络中的各交联点在形变前后固定在它们的平衡位置上。当橡胶试件变形时,这些交联点将以相同的比率变形,即所谓的“
4、仿射”变形。,8.2.1 仿射网络模型,2019/6/29,15,8.2.1 仿射网络模型,具有末端矢量h的链的弹性自由能Fel与W(h)相关联的热力学表达式为:,2019/6/29,16,8.2.1 仿射网络模型,2019/6/29,17,8.2.1 仿射网络模型,对于单轴拉伸情况, 假定在x方向上拉伸,1=,2=3 考虑拉伸时体积不变,123=1,2=3=(1/)1/2。,2019/6/29,18,8.2.1 仿射网络模型,如果试样起始截面积为F0,体积V0F0l0,并用N0表示单位体积内的网链数,即网链密度N0=NV0,,恒温过程,体系自由能的减少,等于对外做的功。 -F=W。,2019
5、/6/29,19,8.2.1 仿射网络模型,E=3G,Flory,2019/6/29,20,8.4 聚合物的力学松弛粘弹性,2019/6/29,21,理想弹性固体(虎克弹性体)的行为服从虎克定律,应力与应变呈线性关系。受外力时平衡应变瞬时达到,除去外力应变立即恢复。 理想粘性液体(牛顿流体)的行为服从牛顿流动定律,应力与应变速率呈线性关系。受外力时应变随时间线性发展,除去外力应变不能回复。,粘弹性,2019/6/29,22,实际材料同时显示弹性和粘性,即所谓粘弹性。,粘弹性,2019/6/29,23,蠕变是指在一定的温度和较小的恒定应力作用下,材料的应变随时间的增加而增大的现象。,1.蠕变,2
6、019/6/29,24, 理想的弹性即瞬时的响应, 推迟弹性形变即滞弹部分, 粘性流动,1.蠕变,2019/6/29,25,1.蠕变,通过蠕变曲线最后一段直线的斜率/t=/3,可以计算材料的本体粘度3。 或由回复曲线得到3,按3 =(t2-t1)/3计算。,2019/6/29,26,蠕变与温度高低和外力大小有关,1.蠕变,2019/6/29,27,1.蠕变,几种聚合物的蠕变性能比较,2019/6/29,28,应力松驰:在恒定温度和形变保持不变的情况下,聚合物内部的应力随时间增加而逐渐衰减的现象。,图8-15 聚合物应力松弛曲线,2.应力松驰,2019/6/29,29,交联聚合物整个分子不能产生
7、质心位移的运动,故应力只能松驰到平衡值。,聚合物被拉长时,分子处于不平衡构象,链段顺着外力的方向运动以减少或消除内部应力。,TTg,链段运动时内摩擦力很小,应力很快松弛掉。 TTg,内摩擦力很大,应力松弛很慢,不易觉察到。 Tg附近几十度内,应力松弛明显。,2.应力松驰,2019/6/29,30,滞后现象:聚合物在交变应力作用下,形变落后于应力变化的现象。,3.滞后现象,(8-52),(8-53),角频率,相位差,2019/6/29,31,滞后现象的发生是由于链段运动要受到内摩擦力的作用,当外力变化时,链段的运动跟不上外力的变化,形变落后于应力。 刚性分子滞后现象小,柔性分子滞后现象严重。 外
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