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1、聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性粘弹性的基本概念粘弹性的基本概念1.1.理想弹性固体理想弹性固体：受到外力作用形变很小，符合受到外力作用形变很小，符合 E E1 1 E E1 1普弹模量普弹模量.特点特点:受外力作用平衡瞬时达到受外力作用平衡瞬时达到,除去外力应变立即恢复除去外力应变立即恢复.2.2.理想的粘性液体理想的粘性液体：符合牛顿流体的流动定律的流体：符合牛顿流体的流动定律的流体,特点特点:应力与切变速率呈线性关系应力与切变速率呈线性关系,受外力时应变随时间线性受外力时应变随时间线性发展发展,除去外力应变不能恢复除去外力应变不能恢复.7.3高聚物的粘弹性高聚物的粘弹性1聚合物的粘弹性聚合物
2、的粘弹性3.3.粘弹性粘弹性:聚合物材料组合了固体的弹性和液体的粘性两者的特聚合物材料组合了固体的弹性和液体的粘性两者的特征，这种行为叫做粘弹性。粘弹性的表现：征，这种行为叫做粘弹性。粘弹性的表现：力学松弛力学松弛4.4.线性粘弹性线性粘弹性：组合了服从虎克定律的理想弹性固体的弹性和组合了服从虎克定律的理想弹性固体的弹性和服从牛顿流动定律的理想液体的粘性两者的特征，就是线性粘服从牛顿流动定律的理想液体的粘性两者的特征，就是线性粘弹性。否则为弹性。否则为非线性粘弹性非线性粘弹性.5.5.力学松弛力学松弛：聚合物的力学性质随时间变化的现象，叫力：聚合物的力学性质随时间变化的现象，叫力学松弛。力学性
3、质受到学松弛。力学性质受到，T,tT,t，的影响，在不同条件下，的影响，在不同条件下，可以观察到不同类型的粘弹现象。可以观察到不同类型的粘弹现象。2力学松弛力学松弛静态的粘弹性静态的粘弹性动态粘弹性动态粘弹性蠕变蠕变应力松弛应力松弛滞后现象滞后现象力学损耗力学损耗(内耗内耗)作为粘弹性材料的聚合物，作为粘弹性材料的聚合物，其力学性质受到其力学性质受到，T,t，的的影响，在不同条件下，可以观察到不影响，在不同条件下，可以观察到不 同类型的粘弹现象。同类型的粘弹现象。聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性3聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性力学松弛的具体表现力学松弛的具体表现静态粘弹性蠕变蠕变固定固定 和和T,T
4、,随随t t增加而逐渐增大增加而逐渐增大应力松弛应力松弛固定固定 和和T,T,随随t t增加而逐渐衰减增加而逐渐衰减动态粘弹性滞后现象滞后现象在一定温度和和交变应力下在一定温度和和交变应力下,应变滞后于应力应变滞后于应力变化变化.力学损耗力学损耗(内耗内耗)的变化落后于的变化落后于 的变化的变化,发生滞后现象发生滞后现象,则每则每一个循环都要消耗功一个循环都要消耗功4聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性7.3.1 高聚物的线性粘弹性高聚物的线性粘弹性静态粘弹性静态粘弹性（1）蠕变）蠕变 在恒温下施加较小的恒定外力时，材料的形变随时间而在恒温下施加较小的恒定外力时，材料的形变随时间而逐渐增大的力学松弛现
5、象。逐渐增大的力学松弛现象。如挂东西的塑料绳慢慢变长。如挂东西的塑料绳慢慢变长。5举例说明举例说明聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性物理意义：蠕变大小反映了材料尺寸的稳定性和长期负载能力。物理意义：蠕变大小反映了材料尺寸的稳定性和长期负载能力。6蠕变曲线和蠕变方程蠕变曲线和蠕变方程 对聚合物施加恒定外力，对聚合物施加恒定外力，应力具有阶梯函数性质。应力具有阶梯函数性质。(t)0 (0 t t1)0 (t1 t t2)聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性7图图1 1 理想弹性体（瞬时蠕变）普弹形变理想弹性体（瞬时蠕变）普弹形变从分子运动的角度解释从分子运动的角度解释:材料受到外力的作用材料受到外力的作用,链内
6、的键长和链内的键长和键角立刻发生变化键角立刻发生变化,产生的形变很小产生的形变很小,我们称它普弹形变我们称它普弹形变.（t）t t（t）t tt t1 1t t2 2聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性8图图2 2 理想高弹体推迟蠕变理想高弹体推迟蠕变（t）t t（t）t tt1 t2(t)=0 (tt1)0 (t)E2-高高弹模量弹模量特点特点:高弹形变是逐渐回复的高弹形变是逐渐回复的.聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性9图图3 3 理想粘性流动蠕变理想粘性流动蠕变(t)=0 (t(TgTg),),分子运动加大，链运动摩擦阻力分子运动加大，链运动摩擦阻力很小很小,应力很快松弛掉了应力很快松弛掉了;反之反之
7、,分子运动困难分子运动困难,链段链段运动能力差运动能力差,应力松弛慢。应力松弛慢。21动态粘弹性动态粘弹性动态粘弹性动态粘弹性Dynamic Dynamic Dynamic Dynamic viscoelasticityviscoelasticityviscoelasticityviscoelasticity在在正弦或其它周期性变化的外力正弦或其它周期性变化的外力作用下作用下,聚合物粘弹性的表现聚合物粘弹性的表现.高聚物作为结构材料在实际应用时高聚物作为结构材料在实际应用时,往往受到交变力的往往受到交变力的作用作用.如轮胎如轮胎.聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性22 塑料的玻璃化温度在动态条件下塑
8、料的玻璃化温度在动态条件下,比静态来的高比静态来的高,就是就是说在动态条件下工作的塑料零件要比静态时更耐热说在动态条件下工作的塑料零件要比静态时更耐热,因此因此不能依据静态下的实验数据来估计聚合物制品在动态条件不能依据静态下的实验数据来估计聚合物制品在动态条件下的性能下的性能.研究动态力学行为的实际意义研究动态力学行为的实际意义?用作结构材料的聚合物许多是在交变的力场中使用用作结构材料的聚合物许多是在交变的力场中使用,因此必须因此必须掌握作用力频率对材料使用性能的影响掌握作用力频率对材料使用性能的影响.如外力的作用频率从如外力的作用频率从01001000周周,对橡胶的力学性能相当于对橡胶的力学
9、性能相当于温度降低温度降低 2040,那么在那么在-50还保持高弹性的橡胶还保持高弹性的橡胶,到到-20就就变的脆而硬了变的脆而硬了.聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性2360Km/h300Hz0 2 tt 图10聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性24问问 题题对对polymer粘弹材料的力学响应介于弹性与粘性之间，粘弹材料的力学响应介于弹性与粘性之间，一般在一般在0 0/2聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性251.1.滞后现象滞后现象定义定义:聚合物在交变应力的作用下聚合物在交变应力的作用下,形变落后于应力变化的形变落后于应力变化的现象现象.产生原因产生原因:形变由链段运动产生形变由链段运动产生,链段运动时受
10、内摩擦阻力作用链段运动时受内摩擦阻力作用,外力外力变化时变化时,链段的运动还跟不上外力的变化链段的运动还跟不上外力的变化,所以形变落后于应所以形变落后于应力力,产生一个位相差产生一个位相差,越大说明链段运动越困难越大说明链段运动越困难.形变越跟不形变越跟不上力的变化上力的变化.越大，说明滞后现象越严重越大，说明滞后现象越严重聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性262 2.力学损耗力学损耗:内耗产生的原因内耗产生的原因:当应力与形变的变化相一致时当应力与形变的变化相一致时,没有滞后现象没有滞后现象,每次形变所每次形变所作的功等于恢复形变时所作的功作的功等于恢复形变时所作的功,没有功的消耗没有功的消耗 如
11、果形变的变化跟不上应力的变化如果形变的变化跟不上应力的变化,发生滞后现象发生滞后现象,则每一则每一次循环变化就会有功的消耗次循环变化就会有功的消耗(热能热能),),称为力学损耗称为力学损耗,也叫内耗也叫内耗.外力对体系所做的功：一方面用来改变链段的构象外力对体系所做的功：一方面用来改变链段的构象(产生产生形变形变),),另一方面提供链段运动时克服内摩擦阻力所需要的能量另一方面提供链段运动时克服内摩擦阻力所需要的能量.聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性27内耗的情况可以从橡胶拉伸内耗的情况可以从橡胶拉伸回缩的应力应变曲线上看出回缩的应力应变曲线上看出1 0 20回缩回缩拉伸拉伸图图11 硫化橡胶拉伸硫
12、化橡胶拉伸回缩应力应变曲线回缩应力应变曲线拉伸曲线下面积为外力对橡胶所作的拉伸功拉伸曲线下面积为外力对橡胶所作的拉伸功回缩曲线下面积为橡胶对外力所作的回缩功回缩曲线下面积为橡胶对外力所作的回缩功面积之差面积之差损耗的功损耗的功滞后环面积越大滞后环面积越大,损耗越大损耗越大.通常用通常用Tan 表示内耗的大小表示内耗的大小.聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性28定义定义:由于力学滞后或者力学阻尼而使机械功由于力学滞后或者力学阻尼而使机械功转变成热的现象转变成热的现象.聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性29 又称为力学损耗角又称为力学损耗角,常用常用tantan 表示内耗的大小表示内耗的大小聚合物的粘弹性聚合
13、物的粘弹性30内耗的影响因素内耗的影响因素链刚性内耗大链刚性内耗大,链柔性内耗小链柔性内耗小.顺丁橡胶顺丁橡胶:内耗小内耗小,链上无取代基链上无取代基,链段运动的内摩擦链段运动的内摩擦阻力小阻力小.做轮胎做轮胎丁苯丁苯,丁腈橡胶丁腈橡胶:内耗大内耗大,丁苯有一个苯环丁苯有一个苯环,丁腈有一丁腈有一个个-CN,极性较大极性较大,链段运动时内摩擦阻力很大链段运动时内摩擦阻力很大(吸收吸收冲击能量很大冲击能量很大,回弹性差回弹性差)如吸音和消震的材料如吸音和消震的材料.a.a.结构因素结构因素:聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性31 b.b.温度温度:tan TT解释解释?TTg：形变主要是键长键角改变引
14、起的形变主要是键长键角改变引起的形变速度很快形变速度很快,几乎跟的上应力的变化几乎跟的上应力的变化,很小很小,内耗小内耗小.T Tg：链段开始运动链段开始运动,体系粘度很大体系粘度很大,链段运动受的内摩擦阻力很大链段运动受的内摩擦阻力很大,高弹形变明高弹形变明显落后于应力的变化显落后于应力的变化,较大较大,内耗较大内耗较大.TTg：链段运动能力增大链段运动能力增大,变小内耗变变小内耗变小小.因此在玻璃化转变区出现一个内耗极大因此在玻璃化转变区出现一个内耗极大值值.TTf:粘流态粘流态,分子间产生滑移内耗大分子间产生滑移内耗大.TgT图图1414聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性32聚合物的力学性质随
15、时间变化的现象，叫力学松弛。聚合物的力学性质随时间变化的现象，叫力学松弛。力学性质受到力学性质受到，T,tT,t，的影响，的影响，在不同条件下，可以观察到不同类型的粘弹现象。在不同条件下，可以观察到不同类型的粘弹现象。力学松弛力学松弛总结总结聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性33蠕变蠕变:固定固定 和和T,T,随随t t增加而逐增加而逐渐增大渐增大应力松弛应力松弛:固定固定 和和T,T,随随t t增加而增加而逐渐衰减逐渐衰减滞后现象滞后现象:在一定温度和和交变应在一定温度和和交变应力下力下,应变滞后于应力变化应变滞后于应力变化.力学损耗力学损耗(内耗内耗):):的变化落后于的变化落后于 的变化的变化
16、,发生滞后现象发生滞后现象,则每一个循则每一个循环都要消耗功环都要消耗功,称为称为.静态的粘弹性静态的粘弹性动态粘弹性动态粘弹性力学松弛力学松弛具体表现：具体表现：聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性34 为了更深刻的理解聚合物的黏弹现象，用弹簧和粘为了更深刻的理解聚合物的黏弹现象，用弹簧和粘壶的组合模型可以定量地直观唯象地模拟描述高聚物的壶的组合模型可以定量地直观唯象地模拟描述高聚物的黏弹现象。黏弹现象。1.Maxwell模模型型2.开尔文模型开尔文模型(Kelvin)7.3.1.37.3.1.3 粘弹性的力学模型粘弹性的力学模型粘弹性的力学模型粘弹性的力学模型:聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性35理想
17、弹簧理想弹簧理想粘壶理想粘壶如一个符合虎如一个符合虎克定律的弹簧克定律的弹簧能很好的描述能很好的描述理想弹性体理想弹性体:一个具有一块平板浸没在一个充一个具有一块平板浸没在一个充满粘度为满粘度为,符合牛顿流动定律的符合牛顿流动定律的流体的小壶组成的粘壶流体的小壶组成的粘壶,可以用可以用来描述理想流体的力学行为来描述理想流体的力学行为.聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性36聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性特点特点:两个单元串连而成两个单元串连而成,外外力作用在此模型上时力作用在此模型上时,弹簧弹簧和粘壶所受的外力相同和粘壶所受的外力相同,1.Maxwell1.Maxwell模型模型:Maxwell模型模型
18、37聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性用途用途:描述应力松弛过程描述应力松弛过程:当受到当受到F F作用作用,弹簧瞬时形变弹簧瞬时形变,而粘壶而粘壶由于黏性作用来不及形变由于黏性作用来不及形变,应力松弛的起始形变由理想弹簧应力松弛的起始形变由理想弹簧提供提供,并使两个元件产生起始应力并使两个元件产生起始应力 0 0,随后粘壶慢慢被拉开随后粘壶慢慢被拉开,弹簧回缩弹簧回缩,到总应力为到总应力为0.0.模型的价值模型的价值:我们从松弛时间可以看出我们从松弛时间可以看出,它既与粘性系数它既与粘性系数有关有关,又与弹性模量有关又与弹性模量有关.说明松弛过程是弹性行为和粘说明松弛过程是弹性行为和粘性行为共同作
19、用的结果性行为共同作用的结果.38聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性2.2.开尔文模型开尔文模型(Kelvin)(Kelvin)特点特点:两单元并联两单元并联.=弹弹=粘粘,=粘粘+弹弹F39聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性模型用途模型用途:模拟交联高聚物的蠕变过程模拟交联高聚物的蠕变过程.当当F F作用到模型上时作用到模型上时,由于粘壶的存在由于粘壶的存在,弹簧不能立即被拉开弹簧不能立即被拉开,只能随着粘壶慢慢被拉开只能随着粘壶慢慢被拉开,形变是逐渐发展的形变是逐渐发展的.外力除去外力除去,由由于弹簧的回复力于弹簧的回复力,整个模型的形变也慢慢被回复整个模型的形变也慢慢被回复.40聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性要描述一个完整的蠕变过要描述一个完整的蠕变过程程,它包括普弹形变它包括普弹形变,高弹高弹形变形变,粘流粘流,我们怎么设计我们怎么设计模型模型?在恒定应力下恒定应力下,形变等形变等于三者之和于三者之和,那么可以那么可以说是串联模型说是串联模型-四四元件模型元件模型.41