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1、高聚物的力学性质1本讲稿第一页，共十七页2 22525是聚苯乙烯的杨氏模量为是聚苯乙烯的杨氏模量为4.94.9 10105 5磅磅/吋吋2 2，泊松比为，泊松比为0.350.35，问其切变量和体积模量是多少？（以帕斯卡表示），问其切变量和体积模量是多少？（以帕斯卡表示）解：设伸长了x寸。2本讲稿第二页，共十七页3 3100100磅的负荷施加于一试样，这个试样的有效尺寸是：长磅的负荷施加于一试样，这个试样的有效尺寸是：长4 4寸，宽寸，宽1 1寸，厚寸，厚0.10.1寸，如果材料的杨氏模量是寸，如果材料的杨氏模量是3.5103.5101010达因达因/厘米厘米2 2，问加，问加负荷时试样伸长了多
2、少厘米？负荷时试样伸长了多少厘米？解：设伸长了x寸。3本讲稿第三页，共十七页5.5.试证明应力应变曲线下的面积比例于拉伸试样所做的功。试证明应力应变曲线下的面积比例于拉伸试样所做的功。解：应力应变曲线面积为：4本讲稿第四页，共十七页6.6.拉伸某试样，给出如下数据：拉伸某试样，给出如下数据：作应力应变曲线图，并计算杨氏模量，屈服应力和屈服时的伸作应力应变曲线图，并计算杨氏模量，屈服应力和屈服时的伸长率。这个材料的抗张强度是多少？长率。这个材料的抗张强度是多少？解：从图中得：杨氏模量为35036.59磅/寸2，屈服应力为1701磅/寸，屈服时伸长率为0.06，抗张强度为1380磅/寸2。1010
3、3 35 5101020203030404050506060707080809090100100120120150150（磅（磅/寸寸2 2）25025050050095095012501250147014701565156516901690166016601500150014001400138513851380138013801380(断断)5本讲稿第五页，共十七页7.7.试比较非晶态高聚物的强迫高弹性、结晶高聚物的冷拉、硬弹试比较非晶态高聚物的强迫高弹性、结晶高聚物的冷拉、硬弹性聚合物的拉伸行为和某些嵌段共聚物的应变诱发塑料橡胶转变，性聚合物的拉伸行为和某些嵌段共聚物的应变诱发塑料橡胶转变
4、，从结构观点加以分析，并指出其异同点。从结构观点加以分析，并指出其异同点。解：非晶态高聚物在大外力作用下发生大形变，其本质与橡胶的高弹形变一样，但表现形式有差别，是在大外力帮助下，冻结的链段开始运动。强迫高弹 性主要由高聚物结构决定。必要条件是高聚物要有可运动的链段，通过链 段运动使链构象改变表现出高弹形变，但又不同于普通高弹形变，要求分 子具有柔性链结构，但不能太柔软，Tb与Tg的间隔较大。结晶高聚物的拉 伸是在单向过程中分子排列产生很大的变化。在结晶高聚物中微晶也进行 重排，甚至某些晶体可能破裂成较小的单位，然后再去向的情况下再结晶。拉伸后的材料在熔点以下不易恢复到原先未取向的状态，然而只
5、要加热到 熔点附近，还是能会回缩到未拉伸状态的。因而这种大形变本质上也是高 弹性。6本讲稿第六页，共十七页结晶与玻璃态高聚物的拉伸情况有许多相似之处。两种拉伸过程都经历弹性变形、屈服、发展大形变以及应变硬化等阶段。拉伸的后阶段材料都呈现强烈的各向异性，断裂前的大形变都是高弹形变，统称为冷拉。另一方面，两种拉伸又有差别，可被冷拉的温度范围不同。本质差别在于晶态高聚物的拉伸伴随着比玻璃态高聚物复杂的多的分子聚集态结构的变化，后者只发生分子链的取向，不发生相变，而前者还包含结晶的破坏、取向和再结晶等过程。硬弹性材料片晶之间存在由系带分子构成的联结点，在受到张力时，内部晶片将发生弯曲和剪切弹性形变，晶
6、片间被拉开，形成网格状的结构，因而可以发生较大形变。而且形变愈大，应力愈高。外力消失后，形变大部分可回复。应变诱发塑料橡胶转变是因为试样在亚微观上具有无规取向的交替层状结构，其中塑料相和橡胶相都成连续相。拉伸时，当塑料相完全被撕碎成分散在橡胶相中的微区时，橡胶相成为唯一的连续相使材料呈现高弹性使试样在外力撤去后形变能回复。塑料分散相则起物理交联作用阻止永久变形的发生。待塑料相的重建完成，交替层状结构又清晰可见，使材料重新表现出塑料性质。7本讲稿第七页，共十七页8 8试述橡胶弹性热力学分析的根据和所得结果的物理意义。试述橡胶弹性热力学分析的根据和所得结果的物理意义。解：橡胶弹性热力学分析的根据是
7、：橡胶被拉伸时发生的高弹形变，除去外 力后可恢复原状，即变形是可逆的。其物理意义在于：实际中高弹态的可逆过程：a,等温恒容下，外力作 用在橡胶上，一方面使橡胶的内能随伸长而变化，另一方面使橡胶的熵 随着伸长而变化，或者说橡胶的张力是由于变形时内能发生变化和熵发 生变化引起的；b,在试样的长度和体积维持不变的情况下，试样张力f 随温度T的变化与温度、体积不变时，橡胶的熵随着伸长的变化值相等。理想高弹体拉伸时，只引起熵变，或者说只有熵的变化对理想高弹体 的弹性有贡献，即理想高弹体的本质就是熵弹性。8本讲稿第八页，共十七页9 9交联橡胶弹性的统计理论的根据是什么？它得出的交联橡胶交联橡胶弹性的统计理
8、论的根据是什么？它得出的交联橡胶状态方程告诉了我们什么？这个理论存在哪些缺陷？状态方程告诉了我们什么？这个理论存在哪些缺陷？解：交联橡胶弹性的统计理论的根据是：四条假设：每个交联点由四个链 组成，交联点是无规分布的；两交联点之间的链是高斯链，其末端距符 合高斯分布；交联网是各向同性的；形变时，交联点按与橡胶试样的宏 观变形相同的比例移动，即“仿射”变形。交联网内能=0。单轴 拉伸。交联橡胶状态方程：交联橡胶很小时，应力-应变关系符合虎克定律；橡胶的弹性模量随温度的升高和网链密度的增大而增大，以对 作图得到的是条直线。9本讲稿第九页，共十七页这条理论存在的缺陷：四条假设在作理论处理时，与实际情况
9、存在明显的出入；自由端的自由链对弹性并没有贡献；实际高弹体，分子链 内旋转引起的各种构象的位能不等，不可避免地要引起内能的变化，即并不为0。10本讲稿第十页，共十七页1010理想橡胶的应力理想橡胶的应力-应变曲线的起始斜率是应变曲线的起始斜率是2.02.0 10106 6帕斯卡，要把体积帕斯卡，要把体积为为4.04.0厘米厘米3 3的这种橡胶试条缓慢可逆地拉伸到其原来长度的两倍，的这种橡胶试条缓慢可逆地拉伸到其原来长度的两倍，需要做多少焦耳功？需要做多少焦耳功？解：满足题意要求时需做功：11本讲稿第十一页，共十七页1212一片密度为一片密度为0.950.95克克/厘米厘米3 3的理想橡胶，如果
10、它的初始分子量是的理想橡胶，如果它的初始分子量是10105 5，而交联后网链的分子量为，而交联后网链的分子量为50005000，假设没有其他网络缺陷，是估算，假设没有其他网络缺陷，是估算它在室温它在室温2727时的剪切模量。时的剪切模量。解：即该理想橡胶在已知条件下的剪切模量为4.27105P。12本讲稿第十二页，共十七页1313一交联橡胶试片，长一交联橡胶试片，长2.82.8厘米，宽厘米，宽1.01.0厘米，厚厘米，厚0.20.2厘米，重厘米，重0.5180.518克，于克，于2525时将它拉伸一倍，测定张力微时将它拉伸一倍，测定张力微1.01.0公斤，估算试样的网链的公斤，估算试样的网链的
11、平均分子量。平均分子量。解：13本讲稿第十三页，共十七页14142727时，把一硫化橡胶试样拉长一倍，拉伸应力为时，把一硫化橡胶试样拉长一倍，拉伸应力为7.257.25 10105 5帕斯帕斯卡，试样的泊松比近似为卡，试样的泊松比近似为0.500.50，试估算：，试估算：每立方厘米中的网链数每立方厘米中的网链数目，目，初始剪切模量，初始剪切模量，初始拉伸模量，初始拉伸模量，拉伸过程中每立方厘米拉伸过程中每立方厘米橡胶放出的热量橡胶放出的热量解：试样的泊松比近似为0.50 初始拉伸模量E=1.24106Pa 初始剪切模量：G=E/3=1/31.24106=4.13105Pa 每立方厘米的网链数目
12、为 拉伸过程中每立方厘米橡胶放出的热量：14本讲稿第十四页，共十七页1515天然橡胶未硫化前的分子量为天然橡胶未硫化前的分子量为3.03.0 10104 4，硫化后网链平均分子量，硫化后网链平均分子量为为60006000，密度为，密度为0.900.90克克/厘米厘米3 3。如果要把长度为。如果要把长度为1010厘米，截面积为厘米，截面积为0.260.26厘米厘米2 2的试样，在的试样，在2525下拉长到下拉长到2525厘米，问需要多大的力？厘米，问需要多大的力？解：由题意：15本讲稿第十五页，共十七页2424WLFWLF方程方程 ，当取当取T Tg g为参考温度时，为参考温度时，C C1 117.4417.44，C2C251.651.6。求以。求以TgTg5050时参考温度时的常数时参考温度时的常数C1C1和和C2C2。（1）（2）解：以Tg参考时 以Tg+50参考时16本讲稿第十六页，共十七页 （2）（1）得 设 为常数K，取T=Tg，T=Tg+10，T=Tg+30时，17本讲稿第十七页，共十七页