最新第2章-高分子材料的高弹性与粘弹性教学讲义PPT课件.ppt

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1、第2章-高分子材料的高弹性与粘弹性本章主要内容2.1高弹性平衡态高弹形变的热力学分析平衡态高弹形变的统计理论高弹性与分子结构的关系橡胶弹性的影响因素2.2粘弹性静态粘弹性动态粘弹性蠕变应力松弛滞后力学损耗2高分子材料力学性能的最大特点高弹性粘弹性小应力下可逆大形变橡胶弹性同时具有弹性形变和粘性形变橡胶：施加外力时发生大的形变，外力除去后可以恢复的弹性材料3弹性一：能弹性应变能释放恢复形状，无能量损耗，形状记忆原子偏离平衡位置储存了应变能虎克定律：=Eε7形变过程熵减，能量储存为TS自发的熵增可使形状恢复，无能量损耗

2、橡胶弹性的本质——熵弹性8橡胶弹性的条件一：分子链长9橡胶弹性的条件二：柔性高室温下分子动能(RT=8.31300J/mol=2.5kJ/mol)HHHHHHHHHH~0.5kcal~2kcal10橡胶弹性的条件三：轻度交联11网链：交联点之间的链理想网络：完整的网络，无悬挂链、悬挂环四官能度三官能度官能度：交汇于一个交联点的网链数最常用的是化学交联12也可以是物理交联聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯132.1.2平衡态高弹性的热力学分析橡胶的弹性理论是在分子结构和热力学概念的基础上发起来的。理论的发展大致分为三步：1

3、.对橡胶弹性进行热力学分析；2.用统计力学方法定量地计算高分子链的的末端距和熵，从而对分子的弹性作出比较完整的解释；3.把孤立分子链的性质用于高交联网结构的体系中，试图用定量的方法表示网状结构高聚物的高弹性。14高弹形变可分为平衡态形变（可逆）和非平衡态形变（不可逆）两种假设橡胶被拉伸时发生高弹形变，除去外力后可完全回复原状，即变形是可逆的，所以可用热力学第一定律和第二定律来进行分析15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体积不变：16对伸长l求偏导得：橡胶热力学状态方程使橡胶的

4、内能随伸长变化使橡胶的熵变随伸长变化物理意义:外力作用在橡胶上17理想弹性变形时，体系内能不变化理想橡胶在等温拉伸过程中，弹性回复力主要是由体系熵变所贡献的。只对理想橡胶成立据上式拉伸功-fdl=TdS=dQ,将转变成热量,若过程进行的快,体系来不及与外界进行热交换,拉伸功使橡胶升温.18大伸长率时（100%以上）熵贡献占主导地位；小伸长率时（0~10%）内能的贡献也不可忽视19在恒压拉伸过程中，体系Gibbs自由能20橡胶热力学状态方程21截距为斜率为将NR拉伸到一定拉伸比或伸长率在保持λ不变下测定不同温度（Ｔ）下的

5、弹性拉力（σ）作σ—T图22由图可得到如下的结果:(1)不同拉伸比的直线的斜率并不相同,拉伸比增大时,斜率也增大.表明形变增大时,张力的温度敏感性变大.同时由于所以在形变增大时,单位长度增加所引起的熵下降也变大.(2)不同拉伸比，所得到的直线外推至0K时,截距几乎都为0.23所以橡胶拉伸时，内能几乎不变，而主要引起熵的变化。在外力作用下，橡胶分子链由原来蜷曲无序的状态变为伸直有序状态。熵由大变小，由无序变有序；终态是不稳定体系，当外力除去以后，就会自发地恢复到初态，也就解释了高弹形变为什么是可回复的。24由熵弹性可以解

6、释高弹形变：（1）大形变（2）形变可逆（4）热效应（3）温度升高，E增大，λ增大，斜率增大热力学分析得到的一条重要的结论：弹性力主要来自熵的贡献，故称橡胶弹性为熵弹性。252.1.3平衡态高弹形变的统计理论目的：研究高弹形变应力～应变定量关系孤立柔性高分子链的构象熵橡胶交联网形变过程的熵变交联网的状态方程状态方程的偏差及其修正26(1)网链的末端距具有高斯分布（等同于各向同性）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Nb2为高斯链即自由连接链的均方末端距Orxyzdxdydz一、孤立柔

7、性链的熵27根据波尔兹曼定律：体系熵值与微观状态数W的关系为：构象数波尔兹曼常数孤立链的构象熵28理想交联网模型，该模型必须符合如下假定。每个交联点由4个有效链组成，交联点是无规分布的两交联点之间的链——网链为高斯链，其末端距符合高斯分布这些高斯链组成的各向同性网络的构象总数是各个网络链构象数目的乘积网络中的各交联点被固定在它们的平衡位置上29相似形变假定拉伸前材料尺寸为a0，b0，c0拉伸后材料尺寸为a，b，c变形前后的拉伸比为a0b0c0abc二、交联网络的熵变宏观变化30相似形变假定拉伸前原坐标（x，y，z）拉伸

8、后坐标（x’，y’，z’）变形前后的坐标关系为xyz微观变化任一根网链（x，y，z）（x’，y’，z’）31变形前一根网链的熵为：变形后一根网链的熵为：变形前后的熵变为：设样品在三个维度上的拉伸比为1，2，3：32由于交联网络的各向同性：∴N个网链的熵变为：交联网络的构象熵33⊿F=⊿U-T⊿S；⊿U=0W就是在外力作用下单