高分子性能学期中

1、高分子材料的高弹性和粘弹性 对于高分子材料而言，形变可按性质分为弹性形变、粘性形变、粘弹性形变来研究，其中弹性形变中包括普通弹性形变和高弹性形变两部分。高弹性和粘弹性是高分子材料最具特色的性质。 迄今为止，所有材料中只有高分子材料具有高弹性。处于高弹态的橡胶类材料在小外力下就能发生100-1000%的大变形，而且形变可逆，这种宝贵性质使橡胶材料成为国防和民用工业的重要战略物资。高弹性的一般特点 高弹性源自于柔性大分子链因单键内旋转引起的构象熵的改变，又称熵弹性。 与金属材料、无机非金属材料的形变相比，高分子材料的典型高弹形变有以下几方面的特点 1、小应力作用下弹性形变很大，如拉应力作用下很容易

2、伸长100%1000%（对比普通金属弹性体的弹性形变不超过1%）；弹性模量低，约10-110MPa（对比金属弹性模量，约104105MPa）高弹性的一般特点 2、升温时，高弹形变的弹性模量与温度成正比，即温度升高，弹性应力也随之升高，而普通弹性体的弹性模量随温度升高而下降。 3、绝热拉伸（快速拉伸）时，材料会放热而使自身温度升高，金属材料则相反。 4、高弹形变有力学松弛现象，而金属弹性体几乎无松弛现象。 高弹形变的这些特点源自于发生高弹性形变的分子机理与普弹形变的分子机理有本质的不同。高弹性的机理 热力学分析证明：高弹性的本质是熵弹性，即高弹形变主要引起体系熵变，结合分子运动的机理来看，高聚物

3、发生高弹形变时，高分子链通过链段运动从卷起构象转变为伸展构象，引起体系构象熵的减小，外力除去后，体系又自发地朝熵增加的方向变化，即高分子链从伸展构象回复到卷曲构象，高弹形变得以回复。高弹性的解释 橡胶弹性理论 是在分子结构和热力学概念基础上发展起来的，分析过程大致分为三步： 对橡胶弹性进行热力分析； 用统计方法定量计算高分子链末端距和熵，从而对分子的弹性作出比较完整的解释 把孤立的分子链的性质用于交联结构体系中，用定量的方法表征网状结构高分子的高弹性。平衡态高弹形变的热力学分析 取原长为l0的轻度交联橡胶试样，恒温条件下施以定力f，缓慢拉伸至l0+dl。所谓缓慢拉伸指的是拉伸过程中，橡胶试样始

4、终具有热力学平衡构象，形变为可逆形变，也称平衡态形变。 按照热力学第一定律，拉伸过程中体系内能的变化dU为： dU=dQ-dW平衡态高弹形变热力学分析 对恒温可逆过程，根据热力学第二定律有，TdS=dQ 它包括拉伸过程中体积变化的膨胀功PdV和拉伸变形的伸长功-fdl PdV=dW-fdl代入可得： du=Tds-Pdv+fdl 设拉伸过程中材料体积不变，PdV=0，则 du=Tds+fdl 从而可得： 理想橡胶在等温拉伸过程中，弹性回复力主要是体系熵变所贡献的。高聚物粘弹性 粘弹性 讨论理想橡胶时，假定分子内和分子间不存在作用力，胶料变形时体系内能不变化，弹性力完全由卷曲分子链构象熵变化引起

5、。实际上对于真实高分子材料，尤其未交联聚合物，其分子间有 内摩擦，分子链运动时损耗能量，发生变形时，除弹性形变外，还有粘性形变和损耗，应力和形变也不能立即建立平衡对应关系，而有一个松弛过程这种粘性、弹性行为同时存在的现象是高分子材料的另一重要特点，简称粘弹性。粘弹性形变的分子机理 材料在受外力作用下产生应变。理想弹性固体（虎克弹性体）的行为服从胡克定律，应力与应变呈线性形关系。受外力时平衡应变瞬时达到，除去外力应变立即恢复。理想粘性液体（牛顿流体)的行为服从牛顿流动定律，应力与应变速率呈线性关系。受外力时应变随时间线性发展，除去外力应变不能回复。实际材料同时显示弹性和粘性，即所谓粘弹性。高聚物

6、粘弹性高聚物力学性质对温度的对温度和时间的依赖性很强时温等效原理高聚物的力学性质随时间的变化力学松弛（驰豫）如蠕变，应力松弛，滞后，力学损耗。高聚物粘弹性的力学模型描述 Maxwell模型 Kelvin模型 四元件模型 多元件模型四元件模型-Boltzman叠加原理的应用 Boltzman叠加原理： 高分子力学松弛行为是整个历史上所有松弛过程的线性加和。 利用该原理，可以根据有限的实验数据去预测高分子在很宽范围内的力学性能；还可以把几种粘弹性为相互关联起来，从而可以从一种力学性能推算另一种力学行为。时温等效原理-WLF方程 升高温度和延长观察时间对分子运动是等效的，对高分子粘弹性行为也是等效的

7、。 根据该原理： 对于同一个力学松弛现象可以在较高温度、较短时间观察到，也可以在较低温度、较长时间观察到。具有弹性和粘弹性材料特性的研究 单层球面铝合金网壳动力学行为对比分析 钢或铝合金是网壳等大跨结构的常见用材，工程师们设计时通常将其视为典型的弹塑性材料而忽视其粘性。实际上，根据粘弹性力学特点，任何一种固体材料力学行为的时间相关性都是客观存在的，只是考量的时间尺度不同，时间越长，材料的松弛和蠕变等时间相关性就越明显非线性动力学行为-简谐载荷作用为突出材料的黏性阻尼作用，取结构的外部阻尼比为0，分别在弹性和粘弹性球壳的共振区和非共振区选择一些典型频率加载在球壳上，根据两类球壳的不同响应特征来分

8、析材料粘性对结构动力学行为的影响，计算时打开几何非线性选项，加载时间为10s，载荷幅值为0.02g,这里仅介绍水平加载情形。对弹性球壳而言，当水平加载的频率为1.5Hz时，由于处于共振区，当外载作用下振幅快速增大，但是，由于几何非线性的影响，结构很快脱离共振区，振幅又快速下降，由于材料为弹性且无阻尼，变形很快恢复，结构再次进入共振区，振幅再次增大，如此反复，如下图a所示，当水平加载的频率为2.5Hz时，由于处于主共振区外，在同样的激励下结构的响应比共振区内小的多，且由于几何非线性的影响，结构的振动特点较复杂，并没有明显的规律，如下图b所示参考文献 何平笙，高聚物的力学性能.合肥：中国科学技术大学出版社，1997. 杨海洋，朱平平，聚合物粘弹性力学模