高分子物理-6-第6章-高分子化学与物理资料PPT课件

2020年9月28日
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6.1 形变类型及描述力学行为的基本物理量
一、应变与应力
应变
当材料受到外力作用，而所处条件使它不 能产生惯性移动时，它的几何形状和尺寸 将发生变化，这种变化就称为应变。 无量纲。
应力 单位面积上的附加内力为应力，其值与单
位面积上所受的外力相等。
单位：国际单位制 Pa
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金属材料 金属材料 结构材料 纤维 纤维 脆性塑料
赛璐珞 硬橡皮 聚乙烯 皮革 橡胶 气体（标准状态）
130—250 26—50
20 12—40 0.02—0.8
0.01
塑料 塑料 柔韧塑料 皮革 橡胶
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3、弹性模量随温度升高而增加
金属的弹性模量随温度升高而减小。
4、形变时有热效应 快速拉伸时放热而使温度升高; 回缩时吸热而使温度降低。 这也与金属相反。
E
G
B P
D
J
K P
拉伸柔量 切变柔量 可压缩度
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2、泊松比
T mm0 l l0
T ddm lm12(1ddV lm 12)
l
一些材料的泊松比
材料名称
锌 钢 铜 铝 铅 汞
ν
0.21 0.25~0.33 0.31~0.34 0.32~0.36
0.45 0.50
材料名称
EPR
Si O
n
CH3
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➢ 改变取代基结构 ➢ 改变交联链的结构
2、降低Tg，避免结晶，改善耐寒性
Tg是橡胶的最低使用温度，耐寒性不足的原因是 由于在低温下橡胶会：
发生玻璃化转变 或发生结晶 导致橡胶变硬变脆和丧失弹性。
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二、高弹性的特点
1、弹性形变大 可高达1000%，金属小于1%，典型值是0.2%。
Plastic
First one Celluloid
纤维素硝酸酯—赛璐珞 1869年海厄特(J.W.Hyatt1837～1920）
Fiber First one Nitrocellulose
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Rubber products
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The definition of rubber
双轴取向的材料情况更为复杂 用张量描述材料的应变应力关系时，有36个模量
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6.2 橡胶弹性的热力学方程
Gibbs function ——吉布斯函数
Temperatur e
GHTS
Enthalpy
Entrop y
HUPV
Josiah Willard Gibbs (1839~1903)
玻璃 石料 聚苯乙烯 低密度聚乙烯 赛璐珞 橡胶类
ν
0.25 0.16~0.34
0.33 0.38 0.39 0.49~0.50
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高聚物
几种高聚物的 E、G、B、ν 值
E×10-9
G×10-9
B×10-9
帕斯卡
帕斯卡
帕斯卡
ν
聚乙烯（高结晶）
5.05
聚乙烯（低结晶）
1.0
聚苯乙烯
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根据热力学第一定律，橡胶拉伸过程的内能变化为：
dUdQdW
体系吸收 的热量
假定过程可逆 由热力学第二定律：
dQTdS
体系对外 作的功
热膨胀系数 10-4 K-1
—— 液体
导致形变的应力随温度升高而增加 —— 气体
PVnRT
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一、橡胶的使用温度范围
1、改善高温耐老化性能，提高耐热性
➢ 改变橡胶的主链结构 双键容易被臭氧破坏导致裂解， 双键旁的次甲基上的氢容易被氧化， 因此天然橡胶和顺丁橡胶等都容易高温老化。
CH3
第6章 橡胶弹性
重点：
橡胶弹性的特点、本质 橡胶应力、应变、温度、分子结构的关系
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形变
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M1 M2
Tm(Tf ) ①非晶态
②轻度结晶 ③高度结晶
Tg
Tm
T f
三态 两区
温度
2
高分子三大材料
Rubber First one Nature Rubber
Polymer Materials
l0
l 1 [ l (l0 )2 ] l 3 l0 l
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2、简单剪切
剪切应变 S tan
d 剪切应力 F
A0
3、均匀压缩
压缩应变 压缩应力
V
V0 PP
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二、弹性模量与泊松比
1、弹性模量
Fkx
弹性模量 应 应变 力
杨氏模量 剪切模量 压缩模量
高分子材料力学性能的 最大特点
高弹性 粘弹性
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国防和航空航天尖端技术
➢ 耐热性 ➢ 耐寒性 ➢ 耐老化
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硫化橡胶
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交联网络的分子运动
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具有橡胶弹性的条件：
长链 足够柔性 交联
橡胶的性能特点：
在小形变时力学行为符合虎克定律 —— 固体
施加外力时发生大的形变， 外力除去后可以恢复的弹性材料
ASTM 美国材料协会标准
American Standard of Testing Materials. 美国材料试验标准
“20~27℃下、1min可拉伸2倍的试样，当外力除去后1min 内至少回缩到原长的1.5倍以下者或者在使用条件下，具有 106~107Pa的杨氏模量者为橡胶”
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材料受力方式不同，发生变形的方式不同，对 于各向同性的材料，有三种基本类型：
➢ 简单拉伸 ➢ 简单剪切 ➢ 简单压缩
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1、简单拉伸
张应变 张应力
工程应变 l l0 l
(习用应变)
l0
l0
Leabharlann Baidu
工程应力 F A0
真应力
F A
真应变 l dli ln l
l l0 i
3.2
聚甲基丙烯酸甲酯
4.15
尼龙 66
1.0
2.0 0.35 1.2 1.55 0.855
5.13
3.3
0.45
3.0
0.33
4.1
0.33
3.3
0.33
对于各向同性的材料：
E2 G (1 )3 B (12 )
只要知道2个参数，就足以描述它的弹性力学行为。
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3、各向异性材料的情况 单轴取向的材料有5个独立的弹性模量，2个泊松比
2、弹性模量小 约为105~106Pa，金属为1010~1011Pa
各种材料的弹性模量（1公斤/毫米2＝9.807兆帕斯卡）
材料
弹性模量（公斤/毫米2）
用途
材料
弹性模量（公斤/毫米2） 用途
钢 铜 石英晶体 天然丝线 牵伸尼龙66 聚苯乙烯
20, 000—22, 000 10, 400
8, 000—10, 000 650 500 250