聚合物的粘弹性之蠕变分析
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实验四姓名:许戴娜 班级:12高分子材料 学号:121505036 指导老师:温和 实验时间:2013年6月25日星期二 实验项目:高聚物的粘弹性一、 实验目的与任务1. 通过测定线型高聚物的蠕变曲线,研究线型高聚物的粘弹性,了解蠕变曲线个部分的意义,并求出线型高聚物的本体粘度。
2. 掌握高聚物熔体流动速率(MFR )或称熔融指数(MI )的测定方法,了解熔融指数与流动性和数均分子量的关系。
二、 实验原理1. 蠕变是聚合物的一种力学松弛现象,它是指在恒定温度下和较小恒定外力作用下,高聚物材料的形变随时间增加而逐渐增大的现象。
线型聚合物的蠕变曲线表示高聚物在恒定应力作用下,相对形变(应变)与时间的关系。
从蠕变曲线上可以了解蠕变过程或蠕变回弹过程由三部分组成:(1) 普弹形变(ε1):又称瞬时弹性形变,以声速发生的弹性形变,应力除去时,以声速回复,其应力与应变的关系服从胡克定律:11E =σε(2) 高弹形变(ε2):由链段运动产生的形变,随时间的增加逐渐达到形变最大值,外来除去后时,形变可逐步全部回复。
其应力与应变的关系为:)1(32τσεte --E =(3) 粘性形变(ε3):高弹形变达到最大值后,随时间增加,形变与时间关系成线性变化。
它是由于大分子链间沿力场方向产生相对滑移,导致的粘性流动。
其形变是不能回复的永久形变。
其应力与应变关系服从牛顿定律: εησ∙=2 ,因为tεε=∙,所以,t 2ησε=因此,在应力作用下,蠕变过程的总形变ε=ε1 +ε2 +ε3ε=t e t231)1(ησσστ+-E +E -当蠕变过程时间足够长时,τte -→0,上式可简化为:ε=t 231ησσσ+E +E 由于聚合物和应力一定,则C =E +E 31σσ,为常数,则ε=C t +2ησ即,蠕变曲线的直线部分代表粘性流动部分,其斜率=2ησ,因此,用作图法可求线型高聚物的本体粘度η2 .2. 熔融指数表示热塑性高聚物在熔融状态时流动性的大小。
第7章聚合物的粘弹性1.举例说明聚合物的蠕变、应力松弛、滞后和内耗现象。
为什么聚合物具有这些现象?这些现象对其的使用性能存在哪些利弊?2.简述温度和外力作用频率对聚合物内耗大小的影响。
画出聚合物的动态力学普示意图,举出两例说明谱图在研究聚合物结构与性能方面的应用。
3.指出Maxwell模型、Kelvin模型和四元件模型分别适宜于模拟哪一类型聚合物的那一种力学松弛过程?答:Maxwell模型适宜于模拟线形聚合物的应力松弛过程,Kelvin模型适宜于模拟交联聚合物的蠕变过程,四元件模型适宜于模拟线形聚合物的蠕变过程。
4.什么是时温等效原理?该原理在预测聚合物材料的长期使用性能方面和在聚合物加工过程中各有哪些指导意义?答:(1)升高温度与延长时间对分子运动是等效的,对聚合物的粘弹行为也是等效的,这就是时温等效原理。
(2)需要在室温条件下几年甚至上百年完成的应力松弛实验实际上是不能实现的,但可以在高温条件下短期内完成;或者需要在室温条件下几十万分之一秒或几百万分之一秒中完成的应力松弛实验,可以在低温条件下几个小时甚至几天内完成。
5.定量说明松弛时间的含意。
为什么说作用力的时间相当时,松弛现象才能被明显地观察到?答:(1)松弛时间是粘性系数和弹性系数的比值;(2)如果外加应力作用时间极短,材料中的粘性部分还来不及响应,观察到的是弹性应变。
反之,若应力作用的时间极长,弹性应变已经回复,观察到的仅是粘性流体贡献的应变,材料可考虑为一个简单的牛顿流体。
只有在适中的应力作用时间,材料的粘弹性才会呈现,应力随时间逐渐衰减到零,这个适中的时间正是松弛现象的内部时间尺度松弛时间τ。
6.简述聚合物粘弹理论的研究现状与展望。
答:略。
7.一某种聚合物材料作为两根管子接口法兰的密封垫圈,假设该材料的力学行为可以用Maxwell模型来描述。
已知垫圈压缩应变为0.2,初始模量为3e6N/m2,材料应力松弛时间为300d,管内流体的压力为0.3e6N/m2,试问多少天后接口处将发生泄露?答:208d。
粘弹性蠕变松弛首先想要澄清一下粘弹性的概念,很多人认为粘弹性就是蠕变或者松弛,这不完全对。
描述粘弹性更为准确的方式应该叫做率依赖,就是本构方程中当时刻应力不仅与当时刻的应变有关,还与当时刻应变速率有关(如果还与以往的历史相关的话,就叫做粘弹塑性了)。
而蠕变与松弛只是当应力或者应变维持在定值的时候,产生的应变增加与应力减小的现象。
分清这个概念很重要,因为在aba qus中定义这些行为的方式是截然不同的,具体来说明一下粘弹性与蠕变(松弛)吧。
1粘弹性狭义上来讲粘弹性是材料在加载过程中应力变化与应变,应变率之间关系的描述,也可以称为率依赖问题。
如果你想要实现冲击载荷作用下粘弹性材料的反应,这个问题属于率依赖问题,你可以使用两种方法定义材料的力学响应,这就是微分型与积分性本构,虽然微分型本构比较直观明了,平衡方程也好获得,但是一般常用的还是基于遗传积分的积分性本构,毕竟微分型本构在基于时间或者频率离散的有限元方法中难于准确实现。
一般的粘弹性本构模型就那几个,比如maxwell,kelvin,剩下的就是它们的串联与并联,如果你有个新模型是n个ma xwell串联的,你可以通过遗传积分公式轻易获得松弛模量与蠕变模量。
然而这里又会引出一个新的问题,学过粘弹性力学的人都知道,只要涉及到粘弹性问题势必逃不过一个数学工具——laplace变换,在这里不想多讲laplace变换的内容,大家对于这个数学工具应该都很清楚(如果是初学的话推荐两本书与粘弹性,laplace变化有关的教材,一个是周光泉的粘弹性理论,还有一本南京工学院,即东南大学出版的《积分变化这本书》),只谈谈它的物理意义吧,其实laplace变换的最核心思想在于时域与频域的转化,一个在时域内控制方程为偏微分方程的转化到频域内就是常微分方程了,对于粘弹性的松弛模量与蠕变模量也是这个道理,它存在着时域表示方法与频域表示方法。
它们在abaqus中的关键字为:*VISCOELASTIC, TIME= define1*VISCOELASTIC, FREQUENCY= defi ne2其中define1,define2分别为数据定义方式,详细的可参考Abaqus Analysis User's Manual18.7 Viscoelasticity。
聚合物材料中的流变性能测试分析在聚合物材料的开发、制造和应用过程中,流变性能测试是一个重要的环节,其能够有效地评估材料的变形行为、力学性能以及应用性能。
因此,了解聚合物材料中的流变性能及其测试分析方法,对于提高聚合物材料的应用性能、推动聚合物材料的研究和应用具有重要的意义。
一、聚合物材料的流变性能聚合物材料是指一类具有高分子结构的材料,其分子量通常高于10万,这种材料的性能是由其分子结构决定的。
在应用场合中,聚合物材料的性能会随着其形状、尺寸和应力状态的变化而发生变化。
因此,聚合物材料的流变性能对于其应用性能的评估和控制具有重要的作用。
聚合物材料的流变性能包括了黏弹性、塑性和蠕变等性质。
黏弹性是指聚合物材料在受到一定应力时的变形能力,即材料随时间的变形量。
塑性是指聚合物材料在受到应力时,随着应力的增加发生的可塑性变形。
蠕变是指聚合物材料在受到恒定应力时,材料随时间的收缩变形。
二、聚合物材料的流变性能测试聚合物材料的流变性能测试是利用流变仪对聚合物材料进行测试,主要包括剪切模量、黏性、塑性和流量指数等参数的测试。
其测试过程是将样品装入流变仪的测量室中,然后通过引入规定的变形应力,来测定聚合物材料在规定的应力范围和频率下的流变性能。
流变仪是一种专门用于测量材料流变性质的仪器。
其主要原理是利用试样在测量室中应变或位移的变化来计算材料在不同应力下的黏弹性、塑性、蠕变等性质。
流变仪可以通过调节控制板的参数,来控制样品的速度、应力、频率和温度等参数,从而实现对材料流变性质的测试和分析。
三、聚合物材料流变性能测试分析1.剪切模量测试分析剪切模量是衡量材料刚度和变形能力的重要参数。
聚合物材料的剪切模量随着应力的增加而增加,因此,其在应用过程中往往需要具有一定的刚度和力学性能。
流变仪可以通过调节控制板的参数,来测定样品在不同应力下的剪切模量。
2.黏性测试分析黏性是衡量材料流体性质的重要参数。
聚合物材料的黏性随着应力的增加而减小,因此其应用过程中不易出现黏滞和流动离散等情况。