【常识精讲】23华工804高分子物理考研常识——聚合物的力学功能(2…(常识大全)

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804高分子物理

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有关类别：804高分子物理

有关常识点：聚合物的力学功能（2）

#1、聚合物的力学功能（2）
3. 粘弹性

3.1 根柢概念

抱负弹性：一个抱负的弹性体，当遭到外力后，平衡形变是瞬时抵达的，与时刻无关。形变除去后，形变马上回复。

抱负粘性：一个抱负的粘性体，遭到外力后，形变是随时刻线性打开的。外力除去后，形变不能回复。

粘弹性：高分子材料的形变性质是与时刻有关的，这种联络介于抱负弹性体和抱负粘性体之间，因而高分子材料常被称为粘弹性材料。

力学松懈：高聚物的力学性质随时刻的改变总称为力学松懈，最根柢的有：蠕变、应力松懈、滞后和力学损耗。

3.2 根柢的力学松懈表象

蠕变：界说在必定的温度和较小的平稳外力作用下，材料的形变随时刻的添加而逐步增大的表象。

聚合物蠕变进程中的形变机理分析从分子运动和改变的视点看，蠕变进程包括下面三种形变：普弹形变、高弹形变、粘性活动。

普弹形变：当高分子材料遭到外力作用时，分子链内部的键长和键角马上发生改变，这种形变量是很小的，称为普弹形变，外力除去后，普弹形变可以马上回复。

高弹形变：分子链经过链段运动逐步扩展的进程，形变量比普弹性变大得多，形变与时刻成指数联络。外力除去后，高弹形变是逐步回复的。

粘性活动：分子间没有化学交联的线形高分子，还会发生分子间的相对滑移，称为粘性活动，外力除去后，粘性活动是不能回复的。

普弹形变和高弹形变称为可逆形变，而粘性活动称为不可以逆形变。因为粘性活动是不能回复的，因而对线性高聚物来说，当外力除去后总会留下一有些不能回复的形变，称为耐久形变。

影响蠕变的外界要素蠕变与温度、外力有关，温度过低，外力太小，蠕变很小且很慢，不易察觉；温度过高、外力过大，形变打开过快，也感触不出蠕变表象；在恰当的外力下，一般在tg以上不远，链段可以运动，但运动时遭到的内冲突力较大，只能缓慢运动，则可调查到显着的蠕变表象。

蠕变与分子规划之间的联络：聚合物链的刚性越大，抗蠕变功能越好；交联可以减小分子间滑移而构成的不可以逆形变。

应力松懈：概念温度和形变坚持不变，高聚物内部的应力随时刻添加而逐步衰减。

机理：应力松懈和蠕变是一个疑问的两个方面，都反映高聚物内有些子的三种运动情况。当高聚物一初步被拉长时，其间分子处于不平衡的构象，要逐步过渡到平衡构象，也就是链段顺着外力的方向运动以削减或消除内部应力。

影响要素：

温度：假定温度很高，远跨越tg，链段运动时遭到的内冲突力很小，应力松懈很快，甚至几乎察觉不到。假定温度太低，比 tg 低得多，尽管链段遭到很大的应力，但因为内冲突力很大，链段运动的才能很弱，应力松懈极慢，也不简略察觉得到。只需在玻璃化温度邻近几十度规模内，应力松懈表象比照显着。

规划：关于交联高聚物，因为分

子间不能滑移，所以应力不会松懈到零，只能松懈到某一数值，因而，橡胶制品都是经过交联的。

滞后表象：高聚物在交变应力作用下，形变落后于应力改变的表象就称为滞后表象。

机理：滞后表象的发生是因为链段运动要遭到内冲突力的作用，当外力改变时，链段运动还跟不上外力的改变，所以形变落后于应力，有一个相位差。

影响滞后的要素：

柔性：高聚物的滞后表象与其本身的化学规划有关，一般刚性分子的滞后表象小，柔性分子的滞后表象严峻。

频率：假定外力作用的频率低，链段来得及运动，滞后表象很小；外力作用频率很高，链段根柢来不及运动，聚合物好象一块硬的材料，滞后表象也小；只需外力作用的频率不太高时，链段可以运动，但又跟不上，才呈现较显着的滞后表象。

温度：温度很高时，链段运动很快，形变几乎不滞后于应力的改变；温度很低时，链段运动 速度很慢，形变来不及打开，因而也无所谓滞后；只需在tg上下几十度的规模，链段充分运动，但又跟不上，滞后表象严峻 。因而添加外力频率和降低温度对滞后表象有着相同的影响。

力学损耗：当应力的改变和应变共一起，没有滞后表象，每次形变所做的功等于恢恢复状时获得的功，没有功的损耗。假定形变的改变落后于应力，发生滞后表象，则每一循环改变中就要耗费功，称为力学损耗，有时也称为内讧。

损耗功：拉伸和回缩时，外力对橡胶所做的功和橡胶对外所做的回缩功别离等于拉伸曲线和回缩曲线下的面积，一个拉伸－回缩循环中所损耗的能量与这两块面积之差恰当。

橡胶的拉伸－紧缩循环的应力应变曲线所构成的 闭合曲线常称为“滞后圈”，滞后圈的面积恰为单位体积的橡胶在每一个拉伸－紧缩循环中所损耗的功。每一循环中，单位体积试样损耗的能量正比于最大应力、最大应变以及应力与应变之间相角差的正弦。因而，δ又称为力学损耗角，我们常用力学损耗角正切 tanδ标明内讧的巨细。

影响内讧的要素：

规划：内讧的巨细与高聚物本身的规划有关。顺丁橡胶内讧小，因为它的分子链上没有替代基团，链段运动的内冲突阻力较小；丁苯橡胶和丁腈橡胶的内讧比照大，因为丁苯有巨大的侧苯基。丁腈橡胶有极性较强的侧氰 基，因而他们 的链段运动时内冲突阻力较大。

温度：tg以下，形变速度很快，内讧很小。温度升高，在向高弹态过渡时，高弹形变显着落后于应力的改变，内讧也大。温度进一步升高时，链段运动比照安适，内讧也小。在玻璃化改动区域将呈现一个内讧的极大值，称为内讧峰，向粘流态过渡时，因为分子之间彼此滑移，因而内讧急剧添加。

频率：频率很低时，高分子的链段运动完全跟得上外力的改变，内讧很小，高聚物体现出橡胶的高弹性；在频率很高时，链段运动完全跟不上外力的改变，内讧也很小，高聚物显得刚性，体现出玻璃态的力学性质；只需中心区域，链段运动跟不上外力的改变，内讧在必定的频率规模将呈现一个极大值，这个区域中材料的粘弹性体现得很显着。

3.3典型粘弹性的实数模量和虚数模量与频率的联络：

可以看到在低频时，材料呈橡胶状，实数模量较小，且在必定频率规模内不随频率改变，在高频时，材料呈玻璃态，实数模量较高，也在必定频率规模内改变不大，在中心频率规模，材料呈现粘弹性，实数模量随频率急剧升高，虚数模量和tan σ则在粘弹区中都呈现一个极大值,而在高频和低频时都很小。

3.4 粘弹性的力学模型

maxwell模型：maxwell模型由一个抱负弹簧和一个抱负粘壶串联而成。模型受力时，弹簧和粘壶遭到的应力与总应力相等，而总应变等于两个元件的应变之和。

maxwell模型的运动方程：

适用规模：线性聚合物的应力松懈进程。聚合物的动态力学行为（可是只需模量形状相契合，tanσ不契合）。

maxwell模型不能仿照蠕变进程和交联高聚物的应力松懈进程。

voigt模型：由一个抱负弹簧和一个抱负粘壶并联而成，应力是由弹簧和粘壶一起分管。总应力等于弹簧和粘壶遭到的应力之和，弹簧和粘壶的应变相等，并等于总应变。

voigt模型的运动方程：

适用规模：交联聚合物的蠕变行为，仿照动态力学行为（但只需实数模量和虚数模量的形状是对的，tanσ形状不对）。

voigt 模型不能用来仿照顾力松懈进程，不适用于仿照线形高聚物的蠕变进程。

多元件模型：四元件模型线形高聚物的蠕变进程

3.5 时温等效原理

同一个力学松懈表象，既可在较高的温度、较短的时刻内调查到，也可在较低的温度、较长的时刻内调查到。因而，升高温度与延伸调查时刻对分子运动是等效的，对高聚物的粘弹行为也是等效的。可以凭仗于一个变换因子，将某一温度下测定的力学数据，改动成另一温度下的力学数据。

变换因子at：移动因子与温度和参阅温度有关，由wlf方程断定:

选择不一样的温度作为参阅温度，方法不变，但 c1、c2的值不一样。若选择tg作为参阅温度，则c1和c2具有近似的普适值：c1=17.44，c2=51.6，

3.6 boltzman 叠加原理

高聚物的力学松懈行为是其整个前史上一切松懈进程的线性加和。关于蠕变进程，每个负荷对高聚物形变的奉献是独立的，总的蠕变是各个负荷致使的蠕变的线性加和；关于应力松懈，每个应变对高聚物的应力松懈的奉献也是独立的，高聚物的总应力等于前史上诸应变致使的应力松懈进程的线性加和。根据这个原理，可以根据有限的实验数据，去猜测高聚物在很宽的时刻规模内的力学性质。

7.3.7 实验仪器和办法：

高温蠕变仪，应力松懈仪，动态扭摆仪，受迫共振法，受迫振荡非共振法。

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