高分子性能學期中

1、高分子材料的高彈性和粘彈性 對于高分子材料而言，形變可按性質分為彈性形變、粘性形變、粘彈性形變來研究，其中彈性形變中包括普通彈性形變和高彈性形變兩部分。高彈性和粘彈性是高分子材料最具特色的性質。 迄今為止，所有材料中只有高分子材料具有高彈性。處于高彈態(tài)的橡膠類材料在小外力下就能發(fā)生100-1000%的大變形，而且形變可逆，這種寶貴性質使橡膠材料成為國防和民用工業(yè)的重要戰(zhàn)略物資。高彈性的一般特點 高彈性源自于柔性大分子鏈因單鍵內旋轉引起的構象熵的改變，又稱熵彈性。 與金屬材料、無機非金屬材料的形變相比，高分子材料的典型高彈形變有以下幾方面的特點 1、小應力作用下彈性形變很大，如拉應力作用下很容易

2、伸長100%1000%（對比普通金屬彈性體的彈性形變不超過1%）；彈性模量低，約10-110MPa（對比金屬彈性模量，約104105MPa）高彈性的一般特點 2、升溫時，高彈形變的彈性模量與溫度成正比，即溫度升高，彈性應力也隨之升高，而普通彈性體的彈性模量隨溫度升高而下降。 3、絕熱拉伸（快速拉伸）時，材料會放熱而使自身溫度升高，金屬材料則相反。 4、高彈形變有力學松弛現象，而金屬彈性體幾乎無松弛現象。 高彈形變的這些特點源自于發(fā)生高彈性形變的分子機理與普彈形變的分子機理有本質的不同。高彈性的機理 熱力學分析證明：高彈性的本質是熵彈性，即高彈形變主要引起體系熵變，結合分子運動的機理來看，高聚物

3、發(fā)生高彈形變時，高分子鏈通過鏈段運動從卷起構象轉變?yōu)樯煺箻嬒?，引起體系構象熵的減小，外力除去后，體系又自發(fā)地朝熵增加的方向變化，即高分子鏈從伸展構象回復到卷曲構象，高彈形變得以回復。高彈性的解釋 橡膠彈性理論 是在分子結構和熱力學概念基礎上發(fā)展起來的，分析過程大致分為三步： 對橡膠彈性進行熱力分析； 用統(tǒng)計方法定量計算高分子鏈末端距和熵，從而對分子的彈性作出比較完整的解釋 把孤立的分子鏈的性質用于交聯結構體系中，用定量的方法表征網狀結構高分子的高彈性。平衡態(tài)高彈形變的熱力學分析 取原長為l0的輕度交聯橡膠試樣，恒溫條件下施以定力f，緩慢拉伸至l0+dl。所謂緩慢拉伸指的是拉伸過程中，橡膠試樣始

4、終具有熱力學平衡構象，形變?yōu)榭赡嫘巫?，也稱平衡態(tài)形變。 按照熱力學第一定律，拉伸過程中體系內能的變化dU為： dU=dQ-dW平衡態(tài)高彈形變熱力學分析 對恒溫可逆過程，根據熱力學第二定律有，TdS=dQ 它包括拉伸過程中體積變化的膨脹功PdV和拉伸變形的伸長功-fdl PdV=dW-fdl代入可得： du=Tds-Pdv+fdl 設拉伸過程中材料體積不變，PdV=0，則 du=Tds+fdl 從而可得： 理想橡膠在等溫拉伸過程中，彈性回復力主要是體系熵變所貢獻的。高聚物粘彈性 粘彈性 討論理想橡膠時，假定分子內和分子間不存在作用力，膠料變形時體系內能不變化，彈性力完全由卷曲分子鏈構象熵變化引起

5、。實際上對于真實高分子材料，尤其未交聯聚合物，其分子間有 內摩擦，分子鏈運動時損耗能量，發(fā)生變形時，除彈性形變外，還有粘性形變和損耗，應力和形變也不能立即建立平衡對應關系，而有一個松弛過程這種粘性、彈性行為同時存在的現象是高分子材料的另一重要特點，簡稱粘彈性。粘彈性形變的分子機理 材料在受外力作用下產生應變。理想彈性固體（虎克彈性體）的行為服從胡克定律，應力與應變呈線性形關系。受外力時平衡應變瞬時達到，除去外力應變立即恢復。理想粘性液體（牛頓流體)的行為服從牛頓流動定律，應力與應變速率呈線性關系。受外力時應變隨時間線性發(fā)展，除去外力應變不能回復。實際材料同時顯示彈性和粘性，即所謂粘彈性。高聚物

6、粘彈性高聚物力學性質對溫度的對溫度和時間的依賴性很強時溫等效原理高聚物的力學性質隨時間的變化力學松弛（馳豫）如蠕變，應力松弛，滯后，力學損耗。高聚物粘彈性的力學模型描述 Maxwell模型 Kelvin模型 四元件模型 多元件模型四元件模型-Boltzman疊加原理的應用 Boltzman疊加原理： 高分子力學松弛行為是整個歷史上所有松弛過程的線性加和。 利用該原理，可以根據有限的實驗數據去預測高分子在很寬范圍內的力學性能；還可以把幾種粘彈性為相互關聯起來，從而可以從一種力學性能推算另一種力學行為。時溫等效原理-WLF方程 升高溫度和延長觀察時間對分子運動是等效的，對高分子粘彈性行為也是等效的

7、。 根據該原理： 對于同一個力學松弛現象可以在較高溫度、較短時間觀察到，也可以在較低溫度、較長時間觀察到。具有彈性和粘彈性材料特性的研究 單層球面鋁合金網殼動力學行為對比分析 鋼或鋁合金是網殼等大跨結構的常見用材，工程師們設計時通常將其視為典型的彈塑性材料而忽視其粘性。實際上，根據粘彈性力學特點，任何一種固體材料力學行為的時間相關性都是客觀存在的，只是考量的時間尺度不同，時間越長，材料的松弛和蠕變等時間相關性就越明顯非線性動力學行為-簡諧載荷作用為突出材料的黏性阻尼作用，取結構的外部阻尼比為0，分別在彈性和粘彈性球殼的共振區(qū)和非共振區(qū)選擇一些典型頻率加載在球殼上，根據兩類球殼的不同響應特征來分

8、析材料粘性對結構動力學行為的影響，計算時打開幾何非線性選項，加載時間為10s，載荷幅值為0.02g,這里僅介紹水平加載情形。對彈性球殼而言，當水平加載的頻率為1.5Hz時，由于處于共振區(qū)，當外載作用下振幅快速增大，但是，由于幾何非線性的影響，結構很快脫離共振區(qū)，振幅又快速下降，由于材料為彈性且無阻尼，變形很快恢復，結構再次進入共振區(qū)，振幅再次增大，如此反復，如下圖a所示，當水平加載的頻率為2.5Hz時，由于處于主共振區(qū)外，在同樣的激勵下結構的響應比共振區(qū)內小的多，且由于幾何非線性的影響，結構的振動特點較復雜，并沒有明顯的規(guī)律，如下圖b所示參考文獻 何平笙，高聚物的力學性能.合肥：中國科學技術大學出版社，1997. 楊海洋，朱平平，聚合物粘彈性力學模