. 粘弹性和滞弹性

PVC的Tg=80℃，加入增塑剂后，玻璃化温度大大下 降，成为软PVC做雨衣，此时处于高弹态，很容易产 生蠕变。
精品课件
二、应力松弛
应力松弛是在持续外力的作用下，发生形变着的物体， 在总的形变值保持不变的情况下，由于蠕变形变渐增， 弹性形变相应减小，由此使物体的内部应力随时间延 续而逐渐减小的过程。简单来说，在恒定的温度和形 变不变的情况下，材料内部应力随着时间的增长而逐 渐衰减的现象。如钟表的发条、松紧带、捆扎物体的 软PVC丝。
观察到完整的蠕变曲线。原因：因为链段可运动， 但又有较大阻力——内摩擦力，因而只能较缓慢的 运动。
精品课件
（4）结构 主链刚性：分子运动性差，外力作用下，蠕变小
ε（%）
2.0 1.5 1.0 0.5
聚砜
ABS（耐热级）
聚苯醚
聚甲醛
聚碳酸酯 尼龙
改性聚苯醚 ABS
1000 2000 3000
t
图6
精品课件
δ越大，说明滞后现象越严重
精品课件
③滞后现象与哪些因素有关?
a.化学结构:刚性链滞后现象小,柔性链滞后现象大.
b.温度：当不变的情况下,T很高滞后几乎不出现,温度很低, 也无滞后.在Tg附近的温度下，链段既可运动又不太容易， 此刻滞后现象严重。
c. : 外力作用频率低时,链段的运动跟的上外力的变化,滞后 现象很小.
§1-4 粘弹性与滞弹性
理想弹性固体
➢ 弹性服从虎克定律， ➢ 特点：
✓ 受外力作用后，应力和应变之间呈线性关系 ，应力与 应变随时保持同相位；
✓ 应变与t无关。受力时，应变瞬时发生达到平衡值，除 去外力，应变瞬时恢复（可逆）。
精品课件
E
t
t1
t2
滞弹性
➢ 实际上，绝大多数固体材料的弹性行为很难满足理想弹 性行为。一般都表现出非理想弹性性质，即实际固体的 应力与应变不是单值对应关系，往往有一个时间的滞后 现象。
外力作用频率不太高时,链段可以运动,但是跟不上外力的变化, 表现出明显的滞后现象. 外力作用频率很高时,链段根本来不及运动,聚合物好像一块刚 性的材料,滞后很小
精品课件
2.力学损耗（内耗） ① 定义:
定义1：如果形变的变化跟不上应力的变化,发生滞后现 象,则每一次循环变化就会有功的消耗(热能),作为热损 耗掉的能量与最大储存能量之比称为力学损耗,也叫内耗
0 应力
E1 普弹形变模量
b.高弹形变 （t）
链段运动
（t）
t
外力除去， 逐渐回复
t1
t2 t
图2 理想高弹体推迟蠕变
精品课件
(t)=
0 (t<t1)
（1 t/） 松弛时间
E e 2
=2/E2
0 (t→)
E2-高弹模量 特点:高弹形变是逐渐回复的.
c.粘性流动 （t）
无化学交联的线性高聚物,发生分 子间的相对滑移,称为粘性流动.
➢ 无机固体和金属材料发生弹性形变时，应变落后于应力 的行为，即与时间有关的弹性称为滞弹性。
✓ 滞弹性的应变落后于应力，有一个时间的滞后 ✓ 滞弹性的应变不仅与应力有关，而且与时间有关，弹性模量也
依赖于时间。
滞弹性体的应变在应力卸除后可以完全回复到原始形状 和尺寸，只要经过充分长时间才能达到。它与不可能完 全回复的非弹性体有明显的区别。
定义2:在交变应力作用下，由于力学滞后或者力学阻尼 而使机械功转变成热的现象。
精品课件
② 内耗产生的原因:
理想弹性行为：应力和应变是单值、瞬时的，弹性变形时 材料储存弹性能，弹性恢复时材料释放弹性能，循环变形 过程没有能量损耗。
内耗的情况可以从橡胶拉伸—回缩的应力应变曲线上看出
σ
拉伸
σ0
回缩
拉伸时外力对体系所做的功： 一方面用来改变链段的构象 (产生形变),另一方面提供链段 运动时克服内摩擦阻力所需要 的能量。
精品课件
2. 聚合物的蠕变现象
从分子运动和变化的角度来看，蠕变过程分为： a.普弹形变
（t）
从分子运动的角度解释:
材料受到外力的作用,链内的键长和 键角立刻发生变化,产生的形变很小, 我们称它普弹形变.
（t）
t
外力除去， 立即完全回复
t1
t2 t
图1 理想弹性体（瞬时蠕变）普弹形变
精品课件
0
E1
因为外力作用下，温度高使分子运动速度加快，松弛加快
（2）外力作用大，蠕变大，蠕变速率高（同于温度的作用）
外 高温
力度
增升
大
t
图5 蠕变与,T的关系
（3）受力时间：受力时间延长，蠕变增大。
精品课件
如何观察到完整的蠕变曲线？
➢ 温度过低远小于Tg，或外力太小，蠕变量很小，很 慢，短时间内观察不出。
➢ T过高(>>Tg)，或外力大，形变太快，也观察不出。 ➢ 只有在适当的外力，温度在Tg以上不远时，才可以
t
t
t0sint t0sint-
0 某处所受的最大应力 外力变化的角频率 在受到正弦力的应作变用落时后于应力差的相位
精品课件
t0sint
对 弹 性 材 料 ： （ t ） 0sinw t形 变 与 时 间 t无 关 ， 与 应 力 同 相 位 对 牛 顿 粘 性 材 料 ： （ t ） 0sin (w t 2)应 变 落 后 于 应 力 2
ε1 ε0 ε2
硫化橡胶拉伸—回缩应力应变曲线
回缩时体系对外做的功：一方
面使伸展的分子链重新蜷曲起
ε
来回复到原来的状态，另一方 面用于克服链段间的内摩擦力
一个拉伸-回缩循环中，链构象的改变完全回复不损耗功，所损 精品课耗件的功都用于克服链段运动的内摩擦阻力转化为热。
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
精品课件
对于未交联橡胶
0et
0
Cross-Leabharlann Baiduinking polymer
Linear polymer
t
不同聚合物的应力松弛曲线
玻璃态 高弹态 粘流态 不同温度下的应力松弛曲线 t
高分子链的构象重排和分子链滑移是导致材料蠕变和应力松弛 的根本原因。
如果T很高(>>Tg),链运动摩擦阻力很小,应力很快松弛掉了,所 以观察不到,反之,内摩擦阻力很大,链段运动能力差,应力松弛 慢,也观察不到.只有在Tg温度附近的几十度的范围内应力松弛 精现品象课件比较明显.(链由蜷曲变为伸展,以消耗外力)
精品课件
图l-11所示，当突然施加一应力σo于拉 伸试样时，试样立即沿0A线产生瞬时应 变Oa。如果低于材料的微量塑性变形 抗力，则应变Oa只是材料总弹性应变 OH中的一部分。应变aH只是在σo长期 保持下逐渐产生的，aH对应的时间过 程为图1-11中的ab曲线。
恒定应力σo
卸载时，如果速度也比较大，则当应力下降为零时，只 有应变eH部分立即消逝掉，而应变eO是在卸载后逐渐去 除的，这部分应变对应的时间过程为图中的cd曲线。
塑料的玻璃化温度在动态条件下,比静态来的高,就是 说在动态条件下工作的塑料零件要比静态时更耐热,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 件下的性能。
精品课件
在周期性变化的作用力中，最简单而最容易处理的是 正弦变化的应力。
0
2
例：汽车速度60公里/小时 轮胎某处受300次/分 的周期应力作用
精品课件
d.不同聚合物的蠕变曲线:
①线性结晶聚合物
玻璃态 1 蠕变量很小,工程材料,作结构材料的Tg 远远高于室温
高弹态 1+2
粘流态 1+2+3 存在永久形变 ε ②理想交联聚合物(不存在粘流态)
形变: 1+2
线性非晶 高聚物
理想粘性体 理想弹性体
交联高聚物
t
精品课件
e、蠕变的影响因素
（1）温度：温度升高，蠕变速率增大，蠕变程度变大
➢ 粘性服从牛顿流动定律 ➢ 特点：
✓ 受力作用后，应力与应变速率呈线性关系； ✓ 受力时，应变随时间线性发展，外力去除后，应变
不能回复。
d
d
精品课件
t
t1 t2
粘弹性
➢ 材料在较小的外力作用下，弹性和粘性同时存在的力学 行为称为粘弹性。
✓其特征是应变落后于应力，即应变对应力的响应不是 瞬时完成的，需要通过一个弛豫过程。应力与应变的关 系与时间有关。 ➢ 粘弹性材料的力学性质与时间有关，具有力学松弛的特 征。 ➢ 最典型的是高分子材料。一些非晶体，有时甚至多晶体， 在比较小的应力时表现粘弹性现象。高分子材料常见的力 学松弛现象：蠕变、应力松弛、滞后和内耗
f、 提高材料抗蠕变性能的途径:
聚合物蠕变性能反映了材料的尺寸稳定性和长期负 载能力，有重要的实用性。如主链含有杂环的刚性链 聚合物具有较好的抗蠕变性能，成为广泛应用的工程 塑料，可以代替金属材料加工机械零件。如工程塑料： POM、PC、PSF等。 a.玻璃化温度高于室温,且分子链含有苯环等刚性链。 b.交联:可以防止分子间的相对滑移。如橡胶采用硫化 交联的办法来防止由蠕变产生分子间滑移造成的不可 逆形变。
周期性变化的应力、应变可以用复数形式表示：
当t0sint时,应力(t) 0sint 展开:(t) 0cossint 弹性形变的动力
0sincost 消耗于克服摩擦阻力
如果E'定义为同相的应力变 和的 应比值 ,E' 00 cos E''为相差90角的应力和应变的的 振比 幅值E"00 sin
精品课件
结晶高聚物在室温下的抗蠕变性能比非晶聚合物好?
举例: PE Tg=-68℃ PTFE Tg=-40℃
在室温下处于高弹态 1+2
PS Tg=-80~100℃ 在室温下处于玻璃态: 1 所以不能通过结晶来提高聚合物的抗蠕变性能.
精品课件
思考题:
a.交联聚合物的蠕变曲线?
1 t b.雨衣在墙上为什么越来越长?(增塑PVC)
对polymer——粘弹材料的力学响应介于弹性与粘性之间，
应变落后于应力一个相位角：
0 2
(t)0sin(wt)
δ—力学损耗角（形变落后于应力变化的相位角）
精品课件
1.滞后现象
①定义:聚合物在交变应力的作用下,形变落后于应力变化的现 象。 ②产生原因:
形变由链段运动产生,链段运动时受内摩擦阻力作用,外力变 化时,链段的运动还跟不上外力的变化,所以形变落后于应力, 产生一个位相差,越大说明链段运动越困难.形变越跟不上力 的变化.
精品课件
具体表现：
蠕变:固定和T, 随t增加而逐渐 增大
静态的粘弹性 应力松弛:固定和T, 随t增加而逐
渐衰减
（粘弹性）
力学松弛
滞后现象:在一定温度和和交变应
力下,应变滞后于应力变化.
动态粘弹性
力学损耗(内耗): 的变化落后于的 变化,发生滞后现象,则每一个循环都 要消耗功,称为内耗.
精品课件
一、蠕变 1. 定义
（t）
t
不可回复
t1 t2
t
图3 理想粘性流动蠕变
精品课件
(t)=
0 (t<t1)
0 3
t(t1
t
t2)
0 3
t2 (t
t2 )
3-----本体粘度
注：不可逆形变
当聚合物受力时，以上三种形变同时发生聚 合物的总形变方程:
2+3 1
1 2 3
(t) 1 2 3
-t
(1e
)
t
E1 E2
3
t
线形非晶态聚合物的蠕变及回复曲线
蠕变是在一定的温度和较小的恒定应力（拉力、扭 力或压力等）作用下，材料的形变随时间的增长而逐 渐增加的现象。如硬塑料的电缆、挂久的雨衣。 若除掉外力，形变随时间变化而减小---称为蠕变回复
软PVC丝
砝码
精品课件
2+3
1
1 2 3
a) 普弹形变ε1 b) 高弹形变ε2 c) 粘性流动ε3
t
线形非晶态聚合物在Tg以上单轴 拉伸的典型蠕变及回复曲线
精品课件
滞弹性在金属材料和高分子材料（高弹形 变）中表现得比较明显。
✓ 材料的滞弹性对仪器仪表和精密机械中的重 要传感元件的测量精度有很大影响，因此选用材 料时需要考虑滞弹性问题。 ✓ 如长期受载的测力弹簧、薄膜传感器等。所 选用材料的滞弹性较明显时，会使仪表精度不足， 甚至无法使用。
精品课件
理想粘性液体
三.动态粘弹性（滞后、内耗）
在正弦或其它周期性变化的外力作用下,聚合物粘弹性的表现. 高聚物作为结构材料在实际应用时,往往受到交变力的作
用。如轮胎、传送皮带、橡齿轮。
精品课件
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,因此 必须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0→100~1000周，对橡胶的力学性能 相当于温度降低 20~40℃，那么在-50℃还保持高弹性的 橡胶，到-20℃就变的脆而硬了。
面积之差 损耗的功
W td t
σ
t
d t
dt
dt
σ0
00
2 0
sintcost- dt
损耗的功 W00sin
拉伸 回缩
ε
ε1
ε0
ε2
又称为力学损耗角,常用tan表示内耗的大小
滞后环面积越大,损耗越大.通常用Tan表示内耗的大小.
精品课件
③ 动态模量与阻尼 高聚物的动态力学性能一般用动态模量和阻尼因子来表示