高聚物的弹性和力学松弛解析课件

1、第五节 高聚物的弹性和力学松弛现象2022/7/301高聚物的力学性能 高聚物的力学性能通常可分为形变性能（正常使用）和断裂性能（破坏）两类。力学性能形变性能断裂性能弹性粘性粘弹性强度韧性2022/7/302一、 应力与应变应变当材料受到外力作用而所处的条件不能使其产生惯性位移，材料的几何形状和尺寸所发生的变化。附加内力材料发生宏观变形时，其内部分子间及分子内各原子间的相对位置和距离就发生变化，使原子间或分子间原有的引力平衡受到破坏，因而产生一种恢复平衡的力。这种力简称为附加内力。应力平衡时，附加内力和外力相等，方向相反，单位面积上的附加内力（外力）称为应力。2022/7/3031.1 应力与

2、应变的类型拉伸在简单拉伸的情况下，材料受到的外力是垂直于截面积的大小相等、方向相反并作用在同一直线上的两个力。 拉伸（张）应力：试样单位面积上承受的拉力。拉伸（张）应变：试样拉伸时所产生的应变。2022/7/304剪切在简单剪切的情况下，试样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线上的两个力。剪切应力单位剪切面上承受的剪切力。切应变 在剪切力作用下，试样将发生偏斜，所产生的应变称为切应变。2022/7/305压缩围压应力P试样单位面积上受到的围压力。 均匀压缩应变试样受到均匀压缩时单位体积的体积减小。 P2022/7/306二、 弹性的基本概念弹性物体抵抗外力变形，并在外力消除

3、后恢复原状的能力。实际材料存在两种弹性：普弹性、高弹性。 普弹形变高弹形变键长键角变化链段运动2022/7/3072.1 普弹形变及弹性模量普弹性大应力作用下材料分子中键长键角变化引起的小形变，形变瞬时完成，除去外力后， 形变立即恢复的特性。 所产生的形变称为普弹形变。普弹性一般存在于陶瓷、金属及玻璃态或结晶态高聚物产生小形变过程中。普弹形变引起物质的内能发生改变，所以普弹性又称为能弹性。 2022/7/308弹性模量弹性模量发生单位应变所需要的应力，表征材料抵抗变形能力的大小 。根据受力方式方式不同可分为拉伸模量：E=/剪切模量：G=/压缩模量：B=p /三种模量之间的关系泊松比，0.20.

4、5 2022/7/3092.2 高弹性高弹性小应力作用下由于高分子链段运动而产生很大的可逆形变的性质。 所产生的形变称为高弹形变。一般非晶态高聚物处于高弹态时具有这种弹性。高弹性是由熵变引起的，因此高弹性又称为熵弹性。拉伸回缩2022/7/30101）弹性模量小比其它固体物质小得多钢：2105 MPa ； PE: 2102 MPa 结晶物； PS: 2.5103 MPa; 橡胶: 0.2-8 MPa。2）形变量大 可达1000%,一般在500%左右,而普通金属材料的形变量1。 高弹性的特点2022/7/30113）弹性模量随温度上升而增大 温度升高，链段运动加剧，回缩力增大，抵抗变形的能力升高

5、。4）高弹形变有时间依赖性力学松弛特性高弹形变时分子运动需要时间。 橡胶：拉伸放热 （外力做功、内摩擦、结晶） 回缩吸热5）形变过程有明显的热效应与普弹形变热效应相反2022/7/3012高聚物的弹性表现？高分子材料力学性能的最大特点高弹性粘弹性三、高聚物的粘弹性2022/7/3013材料的粘、弹性基本概念 理想的弹性固体 服从虎克定律形变对时间不存在依赖性。 理想的粘性液体 服从牛顿定律形变与时间成线性关系。2022/7/3014高聚物的形变高聚物的形变与时间有关，但不成线性关系，两者的关系介乎理想弹性体和理想粘性体之间。理想弹性体理想粘性体交联高聚物线形高聚物2022/7/3015三、高聚

6、物的粘弹性粘弹性高聚物的形变与时间有关，但不成线性关系，两者的关系介乎理想弹性体和理想粘性体之间，这种性能称为粘弹性。粘弹性的表现外力作用下，高聚物材料的形变性质兼具固体的弹性和液体粘性的特征，其表现为力学松弛现象。2022/7/3016静态力学松弛动态力学松弛四、高聚物的力学松弛现象力学松弛高聚物的力学性质随时间的变化。应力松弛蠕变滞后力学损耗力学松弛2022/7/30174.1 静态力学松弛1）定义恒温恒应变下，材料内部的应力随时间延长而逐渐衰减的现象。2）应力松弛曲线：时间应力交联高聚物线形高聚物4.1.1 应力松弛2022/7/3018 材料拉伸过程中应力的衰减是由于分子运动随时间而变

7、化引起的，即应力松弛的本质是比较缓慢的链段运动所导致的分子间相对位置的调整。3）应力松弛的原因交联线型2022/7/3019恒温、恒负荷下，高聚物材料的形变随时间的延长逐渐增加的现象。2）蠕变曲线4.1.2 蠕变1）蠕变的定义线型高聚物交联高聚物时间形变2022/7/3020线形高聚物蠕变-回复曲线e1e2+e3t2t1e普弹形变（键长、键角变化）高弹形变（链段运动）塑性形变（分子链质心位移）tte1e2e3t0e回复曲线2022/7/3021线形和交联聚合物的蠕变-回复全过程形变随时间增加而增大，蠕变不能完全回复形变随时间增加而增大，趋于某一值，蠕变可以完全回复线形交联2022/7/3022

8、4.1.3 影响静态力学松弛的因素蠕变和应力松弛的根本原因外力作用下，高分子链自身产生的缓慢构象重排和分子链滑移。影响因素分子结构分子链的柔顺性：高，应力松弛速度快，抗蠕变性差；分子间作用力：高，应力松弛速度慢，抗蠕变性好；交联或结晶：应力松弛速度慢，抗蠕变能力好。2022/7/3023温度 只有当温度在Tg附近几十度的范围内，链段在外力作用下可以运动，但运动时受到的内摩擦阻力较大，链段只能缓慢地改变其构象，应力松弛及蠕变现象才比较明显。（橡胶低温塑炼）外力作用速度 只有在外力作用时间基本接近或等于应力松弛时间，方可观察到明显的应力松弛现象。（橡胶高温快速密炼）2022/7/30244.2.1

9、 滞后现象定义试样在交变应力作用下，应变的变化落后于应力的变化的现象汽车速度60公里/小时，轮胎某处受300次/分的周期应力作用。(t)wt(t)4.2 动态力学松弛2022/7/3025产生滞后的原因受到外力作用时，链段运动要受到内摩擦阻力的作用，链段通过热运动达到新平衡需要时间，由此引起应变落后于应力的现象。应力应变00”2022/7/30264.2.2 内耗内耗（力学损耗）：聚合物在交变应力作用下，产生滞后现象，使机械能转变为热能的现象。力学损耗的大小通常用tg来表示，称为损耗角正切或阻尼因子。 应力应变面积大小为单位体积内材料在每一次拉伸-回缩循环中所消耗的功2022/7/30274.

10、2.3 影响动态力学松弛的因素分子链的结构对于柔性的高分子，一般是分子的极性越高，取代基数目越多，取代基体积越大，则分子间相互作用力越大，分子运动时受到的内摩擦阻力越大，则内耗就越大。 内耗大小：BR NR SBR NBR IIR刚性链分子的滞后一般比柔性链分子的轻，在同样的力场中变形小，因此内耗低。2022/7/3028 温度温度很低，分子运动很弱，形变小，磨擦消耗的能量少，内耗低温度很高，分子运动快，应变能跟上应力变化，从而小，内耗低。温度适中（Tg附近）时，分子可以运动但跟不上应力变化，增大，内耗大tg形变及内耗 Tg Tf 温度2022/7/3029loglog()频率频率很快，分子运动跟不上应力的交换频率，磨察消耗的能量小，内耗小。频率很慢，分子运动时间很充分，应