04橡胶弹性.ppt

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1、第四章橡胶弹性高分子材料的独特性能4.1.1强度与模量4.1基础知识主要受力方式：体积压缩剪切拉伸压缩拉伸：受大小相等、方向相反、在一条直线上的力作用L0ffA0L张应力=f/A0L张应变杨氏模量E=/杨氏柔量D=1/E=/泊松比=-y/x=-z/x如果拉伸过程体积不变，即V=0，则=0.5LabV=abLlnV=lna+lnb+lnL并令a=b体积不变剪切：受大小相等、方向相反、不在一条直线上的力作用剪应力=f/A0剪应变剪切模量G=/剪切柔量J=1/G=/ffA0sd体积压缩：受流体静压力作用体积应力静压力P体积应变体积模量VV0P三

2、个模量与泊松比之间的关系：E=2(1+)G=3(1-2)B如果=0.5，则E=3GORIGINSOFELASTICITY(1)Deform1.MetalEE00d4.1.2弹性与弹性体2.GasORIGINSOFELASTICITY(2)3.RubberORIGINSOFELASTICITY(3)WWheatheatWW1.Metal3.RubberWheat2.GasW温度与模量Temperature(K)Stress(MPa)2502753003253503751.381.221.130.40.30.20.1固定橡胶伸长时应力与温度关系形变与温度热W冷热冷橡胶弹性的特

3、点:(1)小模量室温下分子动能(RT=8.31300J/mol=2.5kJ/mol)HHHHHHHHHH~0.5kcal~2kcal橡胶弹性的特点:(2)大形变构成橡胶弹性体的三个要件：(1)必须由长链聚合物构成(2)聚合物链必须具有高度柔性(3)聚合物链必须为交联网络拉伸回缩无交联的情况建立交联点有交联的情况天然橡胶－C－C＝C－C－－H－H－H－H－H－CH3橡胶示例丁苯橡胶C＝CHHCH2CH2C－C－H－H－H~75%n橡胶示例C＝CHHCH2CH2nC＝CClCH2CH2Hn顺丁橡胶氯丁橡胶橡胶示例－C－C＝C－C－H－H－H－H－H－CH3C－CH2－CH2－H－H

4、C－0.6~3%丁基橡胶异戊二烯异丁烯橡胶示例C＝CHHCH2CH2nC－H－H－H－CNC丙烯腈50-80%丁腈橡胶丁二烯橡胶示例<50%C－H－H－H－HC>50%C－H－CH3－H－HC乙丙橡胶乙烯丙烯橡胶示例硅橡胶Si－CH3CH3－SiCH3CH3nCH3CH3O－SiCH3CH3橡胶示例(a)(b)理想网络(a)四官能度(b)三官能度4.1.3交联(１)网链密度(N/Ｖ):单位体积内所含网链数交联密度的描述方法网链：交联点之间的链交联密度的描述方法(2)网链分子量：密度()除以网链密度(N/V)(3)交联密度(/V):单位体积中的交联点数交联密度的描述方法设有一网

5、络官能度为，网链数为N将N个网链全部打断，碎片数即为交联点数四官能度网：/N=1/2三官能度网：/N=2/3官能度网：/N=2/网链密度为N，半链密度为2N，交联点密度=2N/将所有交联点串起来需要生成的链数为2N/-1，即为未打断的键数，故实际打断链数为N-2N/=N(1-2/)=将一个网络变成一个不含任何闭合环的树状结构所必须打断的键数：ξ=(1-2/)N。交联点密度=2N/环度(cyclerank)4.2橡胶弹性热力学ffdLffdL体系的内能受三个因素影响：（1）拉伸功（2）体积变化功（3）热量变化ffdL恒温条件下将原长度为L0的橡胶带拉

6、长dL恒温恒压条件下对L微分体积不变：？Gibbs自由能：全微分：代入？G分别对L和T求偏导：G是个状态函数，改变求导顺序不影响结果：？(f/T)p,L(U/L)p,T=constantForceTemperature弹性力中的能量成分与熵变成分固定伸长以所需外力对T作图熵贡献能贡献fe/f10.750.50.2500.7511.251.51.752室温下天然橡胶的能弹性分数表明弹性力中熵变部分总是占80-85%揭示了橡胶弹性的本质：熵弹性拉伸时熵变为负值，回弹时熵变为正值由热力学第二定律Q=TdS，故拉伸时放热，回弹时吸热4.3橡胶统计状态方程虎克弹性体状态方程：

7、=E理想气体状态方程：PV=nRT橡胶弹性体状态方程：=XXX(1)只考虑熵的贡献，不考虑构象能。即以G=-TS为推导的起点。(2)只考虑弹性，不考虑粘性（即不考虑塑性流动）。(3)网链为理想链。(4)拉伸过程体积不变。基本假定(1)网链的末端距具有高斯分布（等同于各向同性）准基本假定链的一端处于直角坐标系的原点，另一端出现在体元dxdydz中的几率为：其中为高斯链即自由连接链的均方末端距。XYZdxdydzO准基本假定(2)相似形变假定拉伸前材料尺寸为a0，b0，c0拉伸