高分子物理课件第五章：橡胶弹性

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高聚物的粘弹性：指高聚物材料不但具有 弹性材料的一般特性，同时还具有粘性 流体的一些特性。弹性和粘性在高聚物 材料身上同时呈现得特别明显。
高聚物的粘弹性表现在它有突出的力学 松弛现象，在研究它的力学性能时必须 考虑应力、应变与时间的关系。温度对 力学性能也是非常重要的因素
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描述粘弹性高聚物材料的力学行为 必须同时考虑应力、应变、时间和 温度四个参数。高聚物材料的力学 性能对时间和温度的强烈依赖性是 研究其力学性能中要着重弄清的问 题，也是进行高聚物材料的测试及 使用时必须十分注意的问题。
强度：材料所能承受的应力 韧性：材料断裂时所吸收的能量
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1-2 表征材料力学性能的基本物理量
受 简单拉伸
力
方
F
式
l0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
F
简单剪切
均匀压缩
F θ
F
参数
, , , , ,
受 外力F是与截面垂 外力F是与界面平 材料受到的 力 直，大小相等， 行，大小相等， 是围压力。 特 方向相反，作用 方向相反的两个 点 在同一直线上的 力。
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③在快速拉伸时（绝热过程），高聚物温 度上升；而金属材料温度下降。如果把橡 胶薄片拉长，把它贴在嘴唇或面颊上，就 会感到橡皮在伸长时发热，回缩时吸热。
④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。
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原因：由于橡胶是长链分子，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与外力，所 以橡胶形变需要时间
动态 Dynamic
非线性粘弹性
Non-Linear viscoelasticity
应力松弛 蠕变 滞后 力学损耗
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断裂性能 Fracture
强 度 Strength 韧 性 Toughness
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常用术语：
力学行为：指施加一个外力在材料上， 它产生怎样的形变（响应）
形变性能：非极限情况下的力学行为 断裂性能：极限情况下的力学行为 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，应变与时间无关
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常用术语：
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
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常用术语：
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
两个力。
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应变 应力
张应变：
l l0 l0
真应变：
l dl i l l0 i
张应力：
F A0
真应力：
F A
切应变：
r tg
是偏斜角
切应力：
s
F A0
压缩应变：
V
V0
压力P
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弹 杨氏模量： 切变模量：
性 模
E F A0 l l0
量
泊淞比：
G＝s F r A0tg
m m l l
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高聚物的高弹性：是由于高聚物极大的分子量使得高 分子链有许多不同的构象，而构象的改变导致高 分子链有其特有的柔顺性。链柔性在性能上的表 现就是高聚物的高弹性。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 （它却是普弹形变的主要起因） 柔性、长链结构使其卷曲分子在外力作用下 通过链段运动改变构象而舒展开来，外力除去恢 复到卷曲状态。
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高聚物力学性能的特点
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） 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
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（2）高聚物力学性能的最大特 点是： 高弹性和粘弹性
横向单位宽度的减小 纵向单位宽度的增加
柔 拉伸柔量： 切变柔量：
量
D 1
E
J 1 G
机械 强度
体积模量：
B P PV0 V
可压缩度：
1 B
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1-3 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，例如：
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2、橡胶弹性（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
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2-1 高弹性的特点
高弹态是高聚物所特有的，是基于链段运动的 一种力学状态，可以通过高聚物在一定条件下， 通过玻璃化转变而达到
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 强迫高弹形变：在脆化温度以上，Tg以下，高
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常用术语：
高弹性：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）
静态力学性能：在恒应力或恒应变情况下 的力学行为
动态力学性能：物体在交变应力下的粘弹 性行为
应力松弛：在恒应变情况下，应力随时间 的变化
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常用术语：
蠕变：在恒应力下，物体的形变随时间 的变化
分子在外力作用下发生类似高弹态的很大的形 变，但外力除去后，由于链段不能运动，形变 不恢复，但当温度升高到Tg以上时，形变恢复。
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橡胶就是具有高弹性的材料，高弹性的 特征表现在：
①弹性形变大，可高达1000%，而金 属材料的普弹形变不超过1%
②弹性模量小， 105 N m2 ，而且随绝对 温度升高而升高；而金属材料的弹性模 量 而降达低 1010~11Nm2 ，而且随绝对温度升高
第五章：橡胶弹性
重点： 橡胶高弹性的特征，及其原因 橡胶的弹性为何是熵弹性
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形变性能 Deformation
弹性 Elasticity
普弹性 高弹性 High elasticity
粘性 Viscosity
线性粘弹性
静态 Static
粘弹性
Linear viscoelasticity
viscoelasticity