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第八章、聚合物的高弹性和黏弹性
第一节 概述 第二节 高弹性 第三节 粘弹性 弹性:对于理想弹性体来讲,其弹性形变可用虎克定律来表示,即:应力与应变成正比关系,比例常数是固体的模量,其倒数为柔量。应变与时间无关。 粘性:在外力作用下,分子与分子之间发生位移,理想的粘性流体其流动形变可用牛顿定律来描述:应力与应变速率成正比。 普弹性:大应力作用下,只产生小的、线性可逆形变,它是由化学键的键长,键角变化引起的。与材料的内能变化有关:形变时内能增加,形变恢复时,放出能量,对外做功(玻璃态,晶态,高聚物,金属,陶瓷均有这种性能),普弹性又称能弹性 高弹性:所谓高弹性是区别于普弹性而言的,一般金属的普弹形变只有千分之几,但高聚物的高弹形变可达30%~1000% 。小的应力作用下可发生很大的可逆形变,是由内部构象熵变引起的,所以也称熵弹性(橡胶具有高弹性) 线性粘弹性: 力学行为可用两者的线性组合来表达。 非线性粘弹性:应变或应变速率较大,或有其他非线性因素时,其力学行为更加复杂。 高聚物力学性能的特点 1 高聚物材料具有所有已知材料可变性范围最宽的力学性质,包括从液体、软橡皮到很硬的固体,各种高聚物对于机械应力的反应相差很大,高聚物力学性质的这种多样性,为不同的应用提供了广阔的选择余地。 2 高聚物力学性能的最大特点: 举例: PS制品很脆,一敲就碎(脆性) 尼龙制品很坚韧,不易变形,也不易破碎(韧性) 轻度交联的橡胶拉伸时,可伸长好几倍,力解除后基本恢复原状(弹性) 胶泥变形后,却完全保持新的形状(粘性) (1)高聚物的高弹性—— 它与一般材料的普弹性的差别就是因为构象的改变: 形变时构象熵减小,恢复时增加。 内能在高弹性形变中不起主要作用 (内能却是普弹形变的主要起因)。 (2)高聚物的粘弹性—— 描述粘弹性高聚物材料的力学行为必须同时考虑 应力 四个参数。 应变 时间 温度 第二节 高弹性 2-1 高弹性的特点 2-2 平衡态高弹性热力学分析 2-3 橡胶的使用温度 2-1 高弹性的特点 高聚物所特有的 基于链段运动的一种力学状态 在Tg以上的非晶态聚合物处于高弹态,典型的代表是各种橡胶,因为其Tg≈-60-(-20)℃,所以在一般使用温度下均呈高弹态 处于高弹态的高聚物表现出独特的力学性能——高弹性 这是高聚物中一项十分难能可贵的性能 高弹性的本质 在外力作用下,橡胶分子链由卷曲状态变为伸展状态,熵减小; 当外力移去后,由于热运动,分子链自发地趋向熵增大的状态,分子链由伸展再回复卷曲状态,因而形变可逆。 因此,高弹性是一种熵弹性。 金属、陶瓷等的弹性本质是能弹性。 高弹性有如下特征: ①弹性形变很大,可高达1000%, 而金属材料的普弹形变不超过1% ②弹性模量小, ,而金属材料的弹性模量达 。 ③聚合物发生高弹形变时,弹性模量与温度成正比,即温度升高,弹性回力增高,从这个意上说,与等容条件下气体的压力随温度升高而增加是相似的。而金属的普通固体材料弹性模量随着温度升高而下降。 ④快速拉伸时,橡胶自身温度上升(放热);反之,压缩时,橡胶自身温度降低(吸热)。这种现象称为高夫-米尔(Gough-Joule)效应。但普通材料与之相反,而且热效应极小。 ⑤粘弹性比较明显:形变与时间有关,橡胶受到外力(应力恒定)压缩或拉伸时,形变总是随时间而发展,最后达到最大形变,这种现象叫蠕变。 “形变与时间有关”的原因: 橡胶是长链分子,整个分子的运动都要克服分子间的作用力和内摩擦力。 高弹形变就是靠分子链段运动来实现的。 整个分子链从一种平衡状态过度到与外力相适应的平衡状态,可能需要几分钟,几小时甚至几年。 也就是说在一般情况下形变总是落后于外力,所以橡胶形变需要时间。 2-2 平衡态高弹形变的热力学分析 假设橡胶被拉伸时发生高弹形变,除去外力后可完全回复原状,即变形是可逆的,所以可用热力学第一定律和第二定律来进行分析。 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,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引起的。 这就是橡胶热力学方程式 实验时用 当纵坐标,T为横坐标,作
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