粘弹性和滞弹性课件

§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，和之间呈线性关系 ，应力与应变随时 保持同相位；
✓ 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）。
E
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t
t1
t2
1
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
软PVC丝
砝码
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8
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
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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.
外温
力度
增升
大高
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。
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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 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。
E2-高弹模量 特点:高弹形变是逐渐回复的.
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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.
（t）
t
不可回复
t1 t2
t
图3 理想粘性流动蠕变
(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
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)
线性非晶 高聚物
理想粘性体
形变: 1+2
理想弹性体 交联高聚物
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t
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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
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）
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理想粘性液体
➢ 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
t
t 学习交流PPT t1
2
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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。
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。
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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。
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。
➢ 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。
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2
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。
（t）
t
外力除去， 立即完全回复
0
E1
t1
t2 t
图1 理想弹性体（瞬时蠕变）普弹形变
0 应力
E1 普弹形变模量
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b.高弹形变 （t）
链段运动
（t）
t
外力除去， 逐渐回复
(t)=
0 (t<t1)
（1 t/） 松弛时间
E e 2
=2/E2
0 (t→)
t1
t2 t
图2 理想高弹体推迟蠕变
➢ 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
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具体表现：
静态的粘弹性
（粘弹性） 力学松弛
动态粘弹性
蠕变:固定和T, 随t增加而逐渐 增大
应力松弛:固定和T, 随t增加而逐 渐衰减
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. 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.
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一、蠕变 1. 定义
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
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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
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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
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（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
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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。