061第六章力学性能高弹性TPE11918.docVIP

第六章 高聚物的力学性能 （1） 6.1 概述 6.1.1 高聚物力学性能的特点（形变性能、断裂性能） 高弹形变：平衡高弹形变：瞬时、平衡、可逆的高弹形变； 非平衡高弹形变：瞬时粘弹性，与时间有关 高弹性：准平衡态高弹形变，由高分子构象熵的改变引起，处于链段无规自由热运动 橡胶（弹性体）→ 外力作用（拉伸力）→ 链段运动对外响应 → 可逆的弹性形变（伸长数倍） 普弹性：内能的改变引起 粘弹性：呈粘性流体的性质、弹性和粘性同时出现。 表现在力学松弛现象（蠕变、应力松弛）及动态力学行为。 高聚物的力学行为：依赖于时间、温度。必须同时考虑应力、应变、时间和温度来描述。 研究目的：（1）力学性能宏观描述和测试合理化； （2）宏观力学性能与微观各个层次的结构因素的关系。 6.1.2 形变类型和描述力学行为的基本物理量 （1）简单剪切（形状改变，体积不变） 剪切应力：σ = F/A， 剪切应变：γ = tgθ， 剪切模量（刚度）：G = σ/γ， 剪切柔量：J = 1/G = γ/σ （2）本体（体积）压缩（形状不变，体积改变） 本体应变：Δ = ΔV / V，本体模量：K = P/Δ = P / （- ΔV / V）， 本体柔量（可压缩度）：B = 1 / K （3）单向拉伸（形状和体积同时改变） 拉伸应力：σ = F/A0（张应力，工程应力）， 拉伸应变：ε1 = （l-10）/10=Δl/10（张应力，工程应变，习用应变）， 杨氏模量：E = σ / ε1 （高聚物 E = 0.1MPa～500MPa），拉伸柔量：D = 1 / E 横向应变：ε2 =（b - b0）/ b0，ε3 =（d - d0）/ d0） 泊松比：γ = -ε2 / ε1= -ε3 / ε1 （拉伸试验中横向应变与纵向应变的比值的负数） 对于大多数高聚物：橡胶，γ = 0.5，体积几乎不变，没有横向收缩。 塑料，γ = 0.2～0.4。 对各向同性的理想材料：G = E /（1+γ），K = E（1 - 2γ），E = 9KG /（3K + G），若体积几乎不变，即γ = 1/2, 则 E = 3G； 对于各向异性材料情况比较复杂，不止有两个的独立弹性模量，通常至少有5或6个。单轴取向材料有5个独立的弹性模量，包括2个E，2个G和1个B；双轴取向或平面无规取向材料有5个独立的弹性模量。 6.2.1 高弹性的一般特点 （1）橡胶高弹性形变的分子运动机理 高聚物分子的链段：单链上若干个σ单键内旋转所形成的独立运动单元。 链段→独立运动→形成许多构象→无外力作用时→分子链构象熵最大的卷曲分子构象 受外力作用时→ 构象改变（较为伸展的构象）→ 构象数↓ 构象熵↓ →拉伸应力去除→回复→可逆的高弹形变 →热力学熵增 → 高弹性（熵弹性） （2）高弹性的特点（橡胶独有的特征）a. 形变大。橡胶在较宽的环境温度（-50－300℃）下具备高弹性，具有其他高分子材料不具备的特征，在外力作用下具有较大的弹性变形，最高可达1000 %或以上，除去外力后变形很快恢复，而具有普弹性的金属材料变形1％。 橡胶高弹性的本质是由大分子构象变化而来的熵弹性，是基于橡胶分子链活泼的微布朗运动，这种高弹性不同于由键长键角变化而来的普弹性。 橡胶的形变为“高弹形变”。橡胶由线形的长链分子组成，由于热运动，这种长链分子在不断地改变着自己的形状，因此在常温下橡胶的长链分子处于蜷曲状态，根据计算，蜷曲分子的均方末端距比完全伸直地分子的均方末端距小100-1000倍，因此拉伸时会表现出很大的形变量。 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，橡胶的分子链由原来的蜷曲状态变为伸展状态，熵值由大变小，终态是一种不稳定的体系，当外力除去后会自发地回复到初态。 b. 弹性模量低。只有0.11 MPa，104～105 MPa c. 弹性模量 E 随绝对T↑→ E↑；而金属的普弹模量随温度的升高而减小。 当外力使蜷曲的橡胶大分子链拉直时，分子自身的运动趋势是企图回到自然蜷曲的状态，温度升高，分子链内各部分的热运动加剧，回缩力也增大，要保持原来的形变量，就得加大外力，则弹性模量增加。d. 拉伸时放热，回缩时吸热。T ↑；对于金属材料，则 T↓（吸热）橡胶拉伸时放出的热量来自于以下三方面：一是橡胶伸长变形时，分子链或链锻由混乱排列变成比较有规则得排列，熵值减少；恒温可逆过程dQ=TdS，由于dS0，则dQ0；二是分子链间在运动时由于摩擦而产生热量；三是部分分子链规整排布而发生结晶，结晶过程中放热。 ASTM：2027℃下，可拉伸两倍的试样，当外力除去后至少回缩至原长的1.5倍以下者；或者在使用条件下，具有106 ---107Pa的杨氏模量者。 《高分子词典》：在环境温度下显示高弹