高聚物的力学性能

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
力学松弛 动态粘弹性
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.
高聚物的力学松弛现象与模型
应力松弛 蠕变 滞后 力学损耗
2
)应变落后于应力
2
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
频率相关性能
载荷随时间而交替变化，材料性能由于黏滞效应 而频率相关，存在能量耗散
弹性固体，应变与应力同相作正弦 波的变化，没有能量损耗
理想黏性流体，应变滞后相位 / 2
滞后时间为 / 2
应力松弛 蠕变 滞后 力学损耗
断裂性能 Fracture
强 度 Strength 韧 性 Toughness
黏弹塑性 弹黏塑性
弹性 塑性 黏性
弹塑性 黏弹性 黏塑性
高分子材料通常兼具弹性固体和黏性流体两者的特 性—黏弹性(静态黏弹性和动态黏弹性)
• 蠕变、应力松弛和应变率效应
• 频率相关性能 • 温度相关性能 • 时间-温度等效原理
黏弹性体而言，谐波应力下的应 变响应则介于弹性固体与黏性流 体之间，应变滞后角 0 ( / 2)
滞后时间为 /
(t)
O
(t)
(t)
(t)
O
2
(t)
(t)
O
/
T
t
t
t
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
拉伸曲线下面积为外力对橡胶所作的拉伸功
σ0
回缩 回缩曲线下面积为橡胶对外力所作的回缩功
0
2
图10
60Km/h ~300Hz t
t
t 0sin t t 0sin t -
0 某处所受的最大应力 外力变化的角频率 在受到正弦力的作用时应变落后于应力的相位差
问题
对弹性材料：（ t） 0 sin wt形变与时间t无关，与应力同相位
对牛顿粘性材料：（ t）
0
sin(wt
静态粘弹性 动态粘弹性
应力松弛
1、定义：恒温恒应变下，材料的内应力随时间的延长而衰 减的现象。
2、应力松弛曲线：
应力 σ0
σ(∞)
交联物
线形物
时间t
3、原因
材料拉伸过程中应力的衰减是由于分子运动随时间而变 化引起的，即应力松弛的本质是比较缓慢的链段运动所导致 的分子间相对位置的调整。
二、粘弹性理论
面积之差
ε1 ε0 ε2
ε
图11 硫化橡胶拉伸—回缩应力应变曲线
损耗的功
滞后环面积越大,损耗越大.通常用Tan表示内耗的大小.
频率相关性能
材料的动态黏弹性能物理量常用复模量、复柔量和 损耗因子 tan 表达.
复模量：Y *(i)
(t) (t)
Y1()
iY2 ()
复柔量：J
* (i )
(t) (t)
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
应力松弛Stress Relaxation
0et
0
玻璃态
粘流态
高弹态
t
图9 不同温度下的应力松弛曲线
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。
当聚合物受力时，以上三种形变同时发生聚合物的
形变性能 Deformation
弹性 Elasticity
普弹性 高弹性 High elasticity
粘性 Viscosity
线性粘弹性
静态 Static
粘弹性
Linear viscoelasticity
viscoelasticity
动态 Dynamic
非线性粘弹性
Non-Linear viscoelasticity
总形变方程:
1
2+3
2
1
3
t
图 线形非晶态聚合物的蠕变及回复曲线
(t) 1 2 3
(1
-t
e
)
Biblioteka Baidu
t
E1 E2
3
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.
三.动态粘弹性Dynamic viscoelasticity 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.
E•
d
dt
理想弹簧
理想粘壶
1、Maxwell模型 一个虎克弹簧（弹性） 串连说明粘弹性 一个牛顿粘壶（粘性）
高聚物的力学性能
• 力学性能分类 • 粘弹性理论 • 温度相关 • 表征力学性能的基本物理量 • 高聚物力学性能的特点
一、力学性能分类
• 力学性能是高聚物优异物理性能的基础 • 如：某高聚物磨擦，磨耗性能优良，但力
学性能不好，很脆。不能用它作减摩材料
• 如：作电线绝缘材料的高聚物，也要求它
们有一定的力学性能：强度和韧性。如果 折叠几次就破裂，那么这种材料的电绝缘 性虽好，也不能用作电线。
0
E1
0 应力
E1 普弹形变模量
（t）
（t）
t
t1
t2 t
图2 理想高弹体推迟蠕变
(t)=
0 (t<t1)
0
E2
(1
e-t
)t (t1
t
t2 )
0 (t→)
E2-高弹模量 特点:高弹形变是逐渐回复的.
（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）
t1 t2
J1()
iJ2 ()
损耗因子： tan Y2 Y1 J2 J1
交变应变下的应力响应 交变应力下的应变响应 能量损耗程度
橡胶轮胎在使用过程中，有发热现象，这是黏弹性能量损耗的体现。 为避免过热，应减小应力与应变的相位差。 在降躁减振的吸能的应用方面，希望增大应力与应变的相位差。
小结：
静态的粘弹性
材料受外力作用时的形变行为： 理想的弹性固体服从虎克定律——形变与时间无关
瞬间形变，瞬间恢复 理想的粘性液体服从牛顿定律——形变与时间成线性关系 高聚物：
分子运动 强烈地依赖于温度和外力作用时间
宏观力学性能
粘弹性的力学模型:
如一个符合虎 克定律的弹簧 能很好的描述 理想弹性体:
一个具有一块平板浸没在一个充 满粘度为,符合牛顿流动定律的 流体的小壶组成的粘壶,可以用 来描述理想流体的力学行为.
弹性材料
t1 t 2 t1 t 2
黏弹性材料
t1 t2
=const.
应力松弛 等时应力~应变曲线
蠕变
• 蠕变——在恒定载荷（或应力）作用下，
应变随时间而逐渐增加的过程或现象。
（t）
（t）
t
t1
t2 t
图1 理想弹性体（瞬时蠕变）普弹形变
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.