高聚物的彈性和力學(xué)松弛解析課件

1、第五節(jié) 高聚物的彈性和力學(xué)松弛現(xiàn)象2022/7/301高聚物的力學(xué)性能 高聚物的力學(xué)性能通?？煞譃樾巫冃阅埽ㄕＪ褂茫┖蛿嗔研阅埽ㄆ茐模﹥深悺ＡW(xué)性能形變性能斷裂性能彈性粘性粘彈性強(qiáng)度韌性2022/7/302一、 應(yīng)力與應(yīng)變應(yīng)變當(dāng)材料受到外力作用而所處的條件不能使其產(chǎn)生慣性位移，材料的幾何形狀和尺寸所發(fā)生的變化。附加內(nèi)力材料發(fā)生宏觀變形時(shí)，其內(nèi)部分子間及分子內(nèi)各原子間的相對(duì)位置和距離就發(fā)生變化，使原子間或分子間原有的引力平衡受到破壞，因而產(chǎn)生一種恢復(fù)平衡的力。這種力簡(jiǎn)稱為附加內(nèi)力。應(yīng)力平衡時(shí)，附加內(nèi)力和外力相等，方向相反，單位面積上的附加內(nèi)力（外力）稱為應(yīng)力。2022/7/3031.1 應(yīng)力與

2、應(yīng)變的類型拉伸在簡(jiǎn)單拉伸的情況下，材料受到的外力是垂直于截面積的大小相等、方向相反并作用在同一直線上的兩個(gè)力。 拉伸（張）應(yīng)力：試樣單位面積上承受的拉力。拉伸（張）應(yīng)變：試樣拉伸時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)變。2022/7/304剪切在簡(jiǎn)單剪切的情況下，試樣受到的是平行于截面、大小相等而方向相反但不作用在同一直線上的兩個(gè)力。剪切應(yīng)力單位剪切面上承受的剪切力。切應(yīng)變 在剪切力作用下，試樣將發(fā)生偏斜，所產(chǎn)生的應(yīng)變稱為切應(yīng)變。2022/7/305壓縮圍壓應(yīng)力P試樣單位面積上受到的圍壓力。 均勻壓縮應(yīng)變?cè)嚇邮艿骄鶆驂嚎s時(shí)單位體積的體積減小。 P2022/7/306二、 彈性的基本概念彈性物體抵抗外力變形，并在外力消除

3、后恢復(fù)原狀的能力。實(shí)際材料存在兩種彈性：普彈性、高彈性。 普彈形變高彈形變鍵長(zhǎng)鍵角變化鏈段運(yùn)動(dòng)2022/7/3072.1 普彈形變及彈性模量普彈性大應(yīng)力作用下材料分子中鍵長(zhǎng)鍵角變化引起的小形變，形變瞬時(shí)完成，除去外力后， 形變立即恢復(fù)的特性。 所產(chǎn)生的形變稱為普彈形變。普彈性一般存在于陶瓷、金屬及玻璃態(tài)或結(jié)晶態(tài)高聚物產(chǎn)生小形變過(guò)程中。普彈形變引起物質(zhì)的內(nèi)能發(fā)生改變，所以普彈性又稱為能彈性。 2022/7/308彈性模量彈性模量發(fā)生單位應(yīng)變所需要的應(yīng)力，表征材料抵抗變形能力的大小 。根據(jù)受力方式方式不同可分為拉伸模量：E=/剪切模量：G=/壓縮模量：B=p /三種模量之間的關(guān)系泊松比，0.20.

4、5 2022/7/3092.2 高彈性高彈性小應(yīng)力作用下由于高分子鏈段運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生很大的可逆形變的性質(zhì)。 所產(chǎn)生的形變稱為高彈形變。一般非晶態(tài)高聚物處于高彈態(tài)時(shí)具有這種彈性。高彈性是由熵變引起的，因此高彈性又稱為熵彈性。拉伸回縮2022/7/30101）彈性模量小比其它固體物質(zhì)小得多鋼：2105 MPa ； PE: 2102 MPa 結(jié)晶物； PS: 2.5103 MPa; 橡膠: 0.2-8 MPa。2）形變量大 可達(dá)1000%,一般在500%左右,而普通金屬材料的形變量1。 高彈性的特點(diǎn)2022/7/30113）彈性模量隨溫度上升而增大 溫度升高，鏈段運(yùn)動(dòng)加劇，回縮力增大，抵抗變形的能力升高

5、。4）高彈形變有時(shí)間依賴性力學(xué)松弛特性高彈形變時(shí)分子運(yùn)動(dòng)需要時(shí)間。 橡膠：拉伸放熱 （外力做功、內(nèi)摩擦、結(jié)晶） 回縮吸熱5）形變過(guò)程有明顯的熱效應(yīng)與普彈形變熱效應(yīng)相反2022/7/3012高聚物的彈性表現(xiàn)？高分子材料力學(xué)性能的最大特點(diǎn)高彈性粘彈性三、高聚物的粘彈性2022/7/3013材料的粘、彈性基本概念 理想的彈性固體 服從虎克定律形變對(duì)時(shí)間不存在依賴性。 理想的粘性液體 服從牛頓定律形變與時(shí)間成線性關(guān)系。2022/7/3014高聚物的形變高聚物的形變與時(shí)間有關(guān)，但不成線性關(guān)系，兩者的關(guān)系介乎理想彈性體和理想粘性體之間。理想彈性體理想粘性體交聯(lián)高聚物線形高聚物2022/7/3015三、高聚

6、物的粘彈性粘彈性高聚物的形變與時(shí)間有關(guān)，但不成線性關(guān)系，兩者的關(guān)系介乎理想彈性體和理想粘性體之間，這種性能稱為粘彈性。粘彈性的表現(xiàn)外力作用下，高聚物材料的形變性質(zhì)兼具固體的彈性和液體粘性的特征，其表現(xiàn)為力學(xué)松弛現(xiàn)象。2022/7/3016靜態(tài)力學(xué)松弛動(dòng)態(tài)力學(xué)松弛四、高聚物的力學(xué)松弛現(xiàn)象力學(xué)松弛高聚物的力學(xué)性質(zhì)隨時(shí)間的變化。應(yīng)力松弛蠕變滯后力學(xué)損耗力學(xué)松弛2022/7/30174.1 靜態(tài)力學(xué)松弛1）定義恒溫恒應(yīng)變下，材料內(nèi)部的應(yīng)力隨時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸衰減的現(xiàn)象。2）應(yīng)力松弛曲線：時(shí)間應(yīng)力交聯(lián)高聚物線形高聚物4.1.1 應(yīng)力松弛2022/7/3018 材料拉伸過(guò)程中應(yīng)力的衰減是由于分子運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間而變

7、化引起的，即應(yīng)力松弛的本質(zhì)是比較緩慢的鏈段運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的分子間相對(duì)位置的調(diào)整。3）應(yīng)力松弛的原因交聯(lián)線型2022/7/3019恒溫、恒負(fù)荷下，高聚物材料的形變隨時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加的現(xiàn)象。2）蠕變曲線4.1.2 蠕變1）蠕變的定義線型高聚物交聯(lián)高聚物時(shí)間形變2022/7/3020線形高聚物蠕變-回復(fù)曲線e1e2+e3t2t1e普彈形變（鍵長(zhǎng)、鍵角變化）高彈形變（鏈段運(yùn)動(dòng)）塑性形變（分子鏈質(zhì)心位移）tte1e2e3t0e回復(fù)曲線2022/7/3021線形和交聯(lián)聚合物的蠕變-回復(fù)全過(guò)程形變隨時(shí)間增加而增大，蠕變不能完全回復(fù)形變隨時(shí)間增加而增大，趨于某一值，蠕變可以完全回復(fù)線形交聯(lián)2022/7/3022

8、4.1.3 影響靜態(tài)力學(xué)松弛的因素蠕變和應(yīng)力松弛的根本原因外力作用下，高分子鏈自身產(chǎn)生的緩慢構(gòu)象重排和分子鏈滑移。影響因素分子結(jié)構(gòu)分子鏈的柔順性：高，應(yīng)力松弛速度快，抗蠕變性差；分子間作用力：高，應(yīng)力松弛速度慢，抗蠕變性好；交聯(lián)或結(jié)晶：應(yīng)力松弛速度慢，抗蠕變能力好。2022/7/3023溫度 只有當(dāng)溫度在Tg附近幾十度的范圍內(nèi)，鏈段在外力作用下可以運(yùn)動(dòng)，但運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的內(nèi)摩擦阻力較大，鏈段只能緩慢地改變其構(gòu)象，應(yīng)力松弛及蠕變現(xiàn)象才比較明顯。（橡膠低溫塑煉）外力作用速度 只有在外力作用時(shí)間基本接近或等于應(yīng)力松弛時(shí)間，方可觀察到明顯的應(yīng)力松弛現(xiàn)象。（橡膠高溫快速密煉）2022/7/30244.2.1

9、 滯后現(xiàn)象定義試樣在交變應(yīng)力作用下，應(yīng)變的變化落后于應(yīng)力的變化的現(xiàn)象汽車速度60公里/小時(shí)，輪胎某處受300次/分的周期應(yīng)力作用。(t)wt(t)4.2 動(dòng)態(tài)力學(xué)松弛2022/7/3025產(chǎn)生滯后的原因受到外力作用時(shí)，鏈段運(yùn)動(dòng)要受到內(nèi)摩擦阻力的作用，鏈段通過(guò)熱運(yùn)動(dòng)達(dá)到新平衡需要時(shí)間，由此引起應(yīng)變落后于應(yīng)力的現(xiàn)象。應(yīng)力應(yīng)變00”2022/7/30264.2.2 內(nèi)耗內(nèi)耗（力學(xué)損耗）：聚合物在交變應(yīng)力作用下，產(chǎn)生滯后現(xiàn)象，使機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿默F(xiàn)象。力學(xué)損耗的大小通常用tg來(lái)表示，稱為損耗角正切或阻尼因子。 應(yīng)力應(yīng)變面積大小為單位體積內(nèi)材料在每一次拉伸-回縮循環(huán)中所消耗的功2022/7/30274.

10、2.3 影響動(dòng)態(tài)力學(xué)松弛的因素分子鏈的結(jié)構(gòu)對(duì)于柔性的高分子，一般是分子的極性越高，取代基數(shù)目越多，取代基體積越大，則分子間相互作用力越大，分子運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的內(nèi)摩擦阻力越大，則內(nèi)耗就越大。 內(nèi)耗大小：BR NR SBR NBR IIR剛性鏈分子的滯后一般比柔性鏈分子的輕，在同樣的力場(chǎng)中變形小，因此內(nèi)耗低。2022/7/3028 溫度溫度很低，分子運(yùn)動(dòng)很弱，形變小，磨擦消耗的能量少，內(nèi)耗低溫度很高，分子運(yùn)動(dòng)快，應(yīng)變能跟上應(yīng)力變化，從而小，內(nèi)耗低。溫度適中（Tg附近）時(shí)，分子可以運(yùn)動(dòng)但跟不上應(yīng)力變化，增大，內(nèi)耗大tg形變及內(nèi)耗 Tg Tf 溫度2022/7/3029loglog()頻率頻率很快，分子運(yùn)動(dòng)跟不上應(yīng)力的交換頻率，磨察消耗的能量小，內(nèi)耗小。頻率很慢，分子運(yùn)動(dòng)時(shí)間很充分，應(yīng)