第六章橡胶弹性要点分析.ppt

第6章 橡胶弹性 6.1描述力学行为的基本物理量 6.2橡胶弹性的热力学分析 6.3橡胶弹性的统计理论 6.1 材料力学基本物理量 （理解） 应变 材料受到外力作用，它的几何形状发生变化，这种变化叫应变。 附加内力 材料发生宏观形变时，使原子间或分子间产生附加内应力来抵抗外力，附加内力与外力大小相等，方向相反。 应力 单位面积上的附加内力为应力，单位Pa。 简单剪切 剪切应变 均匀压缩 橡胶高弹态 橡胶 施加外力发生大的形变，外力除去后形变可以恢复的弹性材料。 高弹态 聚合物特有的力学状态。 1.弹性形变大。ε＝1000％，金属ε＜1％ 2.弹性模量小。E＝105N/m2，塑料109N/m2 金属1010～11N/m2。 3.温度升高，模量增加。 4.形变时有明显的热效应。 5.形变具有时间依赖性（称为力学松弛）。 热力学体系： 橡皮试样 环境： 外力（单轴拉伸） 依据： 热力学第一定律dU＝dQ+dW 热力学第二定律dQ＝TdS dU=dQ+dW 物理意义: 由定拉伸比（λ=l/l0)时： f 对T作图 ，当λ ＜10％时,直线外推到T＝0K时，通过坐标原点 高弹形变的本质: 橡胶弹性是熵弹性 回弹动力是熵增 热量变化 6.3 橡胶弹性的统计理论 用统计方法计算体系熵的变化，推导出宏观的应力-应变关系 （1）交联点由四个有效链组成，无规分布 (3)交联网的构象数是各个单独网链的构象数的乘积 （4）仿射形变 交联橡胶的状态方程与虎克定律 橡胶形变时体积不变，泊松比?为0.5 橡胶状态方程总结 3.理论与实验之间的偏差及修正 (2) 自由末端修正 （3）物理缠结和体积变化修正 交联橡胶在形变时是要发生体积变化的需要进行修正。 （4）仿射变形的修正 交联网的变形不是仿射变形，特别是在较高的应变下。 一般交联点的波动要使模量减小 作为一种简单的改正，在式中引入一个小于1的校正因子A? 溶胀过程自由能变化包括两部分： 应用 6.4热塑弹性体Thermoplastic elastomer（TPE） 虎克定律 不符合虎克定律 形变很小时: λ=1+ε λ-2=(1+ε)-2= 1-2 ε +…, 当形变很小时，符合虎克定律 状态方程1写为： E – 初始杨氏模量；G -初始剪切模量 -橡胶状态方程3 橡胶状态方程1 橡胶状态方程2 橡胶状态方程3 σ 理论值 1 2 3 4 5 6 7 8 80 70 60 50 40 30 20 10 0 实验值 λ 兆帕 (1)ε很小时，符合虎克定律。 (2)λ＜1.5时，理论与实验 符合较好。 (3) λ1.5时，理论与实验 偏差较大 偏差原因？ a、很高应变，高斯链假设不成立。 b、应变引起结晶作用。 ①形变较大时的修正 较大形变时, 网链的末端距不等于高斯链末端距. 对交联橡胶状态方程的修正 前因子 假定每个线形分子链交联后都有两个末端形成自由链 自由链——端链 封闭的链圈 交联前橡胶的数均分子量 a:缠结对剪切模量的贡献 拉伸前立方体的体积 拉伸后立方体的体积 物理缠结的贡献 溶剂分子与大分子链混合，熵增，有利于溶胀 ?GM 分子链拉长，储存弹性能，熵减，不利于溶胀 ?Gel 达到溶胀平衡 状态方程处理溶胀平衡 网链的平均分子量 聚合物的密度 溶剂的摩尔体积 Hunggins parameter 溶胀前后体积比 得到 Hunggins 参数 测定交联点间的分子量 交联度同即溶涨后体积的定量关系。 交联为弹性体（橡胶）具有高弹性的条件之一，如果交联点为物理交联，则形成热塑弹性体。 兼有橡胶和塑料两者的特性，在常温下显示高弹，高温下又能塑化成型。称为第三代橡胶，是橡胶史最大的革命。 * 弹性模量 理想的弹性固体，服从虎克定律： 弹性模量=应力／应变 柔量：模量的倒数 F F l A0 l0 △l 简单拉伸: 杨氏模量 拉伸柔量 D=1/E 剪切应力 剪切模量 切变柔量 J=1/G V0 V0-△V P 静压力：P 材料均匀压缩应变△ 体积模量 可压缩度 1/B 各向同性材料三种模量的关系： ?:泊松比(法国数学家 Simeom Denis Poisson 为名 ) 4个参数2个独立 横向应变 纵向应变 也叫横向变性系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。 橡胶高弹形变的特点： 6.2 橡胶的热力学分析 dW=fdl-pdV dQ=TdS dU=TdS+fdl-pdV, dV≈0 ， dU=TdS+fdl 等温等容条件的热力学方程： 橡胶的张力是由于变形时，内能发生变化 和熵变化而引起的。 F=U-TS dU=TdS+fdl-