5高聚物的高弹性和粘弹性

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第五章 高聚物的高弹性和粘弹性 第一部分 主要容

§5 高弹态和粘弹性

§5.1 高弹性的特点及热力学分析

一、高弹性的特点

(1 )E 小,ε大且可迅速恢复

(2)E 随T 增大而增大3、拉伸或压缩过程:放热

二、理想高弹性的热力学分析——理想高弹性是熵弹性

1)橡胶拉伸过程热力学分析 dU=-dW+dQ

dW=-fdl+PdU=-fdl dQ=TdS

dU=TdS+f fdl 等温,等容过程 V T l U .)(??=T(V T l

S

.)(??+f

f=-T V T l S .)(

??+V T l

U

.)(?? 熵 能

所以,高弹性是一个熵变得过程

2)理想高弹性是熵弹性 f=-T V T l S .)(

??+V T l

U .)(??

=f s +f u

a f ≈-T V T l

S

.)(

?? 弹性力是由熵变引起的 熵弹性 b f ∝T T ↑,f ↑,E=

ε

σ↑ c 热弹较变现象

ε〈10%时, f 对T 作图为负值

§5.2 橡胶弹性的统计理论

一、理想弹性中的熵变

1)孤立链的S

在(x,y,z)位置的几率 W(x,y,z)=)

(32222

)(

z y x e ++-β

π

β

β2

=

2

23zb S=klnn=c-k β2

(x 2

+y 2

+z 2

)

2)理想交联网的 假设

(1) 两交链点间的链符合高斯链的特征 (2)仿射变形

(3) (4)

Si= c-k β2(x 2i +y 2i +z 2

i )

Si’=c -k β2(λ12x 2i +λ22y 2i +λ32z 2

i )

ΔSi= Si’- Si=-k β2((λ12-1)x 2i +(λ22-1)y 2i +(λ32-1)z 2

i )

如果试样的网链总数为N

ΔS=-KN/2(λ12+λ22+λ32

)

=-1/2KN(λ2+λ-2

-3) σ=-V T l

S

.)(

???=NKT(λ-λ-2) 二、真实(橡胶)弹性网与理论值比较及修正

(1)比较

a :λ很小, σ理=σ真

b :λ较小, σ理〉σ真 因自由端基或网络缺陷

c :λ较大,σ理〈σ真

因局部伸展或拉伸结晶引起 (2)修正

σ= NKT(λ-λ-2

)=Mc

RT ρ (λ-λ-2

) 当分子量为时 σ=

Mc RT ρ(1-)2Mn

Mc

(λ-λ-2) 其中

N

Mc N 1=ρ

§5.3 粘弹性的三种表现

ε.E (结构.T.t )

弹性——材料恢复形变的能力,与时间无关。 粘性——阻碍材料产生形变的特性与时间相关。 粘弹性——材料既有弹性,又有粘性。

一、蠕变

当 T 一定,σ一定,观察试样的形变随时间延长而增大的现象。

二、应力松弛

T.ε不变,观察关系σ(t)-t σ关系 σ(t)= σ0τ

/t e

- τ 松弛时间

例:27℃ 是拉伸某硫化天然胶,拉长一倍是,拉应力7.25ⅹ105N/m

2

γ=0.5 k=1.38ⅹ10-23J/k Mn=106g/mol ρ=0.925g/cm 3

(1) 1 cm 3

中的网链数及Mc (2) 初始氏模量及校正后的E

(3) 拉伸时1cm 3

中放热

解:(1)σ=N1KT(λ-λ-2

) → N=

)

1

(2

λλσ

-

KT

Mc=

N

N ρ

=

(2)E=εσ

=σ σ=Mc RT ρ(1-)2Mn

Mc

(λ-λ-2)

(3) dU=-dW+dQ

dQ=Tds Q= T Δs=TNK(λ2

+

λ

2

-3) 三、动态力学性质

1. 滞后现象

σ(t)= σ0e iwt

ε(t)= ε0e i(wt-δ) E *

=σ(t)/ ε(t)=

00εσe i δ=0

εσ(cos δ+isin δ) E’=

εσ cos δ 实部模量,储能(弹性) E’’=

εσsin δ 虚部模量,损耗(粘性) E *

= E’+i E’’

2. 力学损耗

曲线1:拉伸 2:回缩 3:平衡曲线

拉伸时:外力做功 W 1=储能功W+损耗功ΔW 1 回缩时: 储能功 W=对外做功W 2+损耗功ΔW 2 ΔW=

?εσd =dt dt

d w

?

/20

πε

σ

=πσ0ε0sin δ=πE’’ ε0

2

极大储能功 W=

21σ0ε0cos δ=2

1E’ ε02

在拉伸压缩过程中

最大储能损耗能量= W W ?=2

02

'2/1"εεπE E =σπE”/E’=2πtg δ

tg δ=E”/E’=

π21W

W

?

3.E’,E”,tgδ的影响因素 a . 与W 的关系

W 很小,E’小,E”小,tg δ小 W 中:E’ 小,E”大,tg δ大

W 很大 E’ 大,E”小,tg δ趋近于0 b . 与聚合物结构的关系

如:柔顺性好,W 一定时, E’ 小,E” 小,tg δ小 刚性大, W 一定时,E’ 大,E” 小,tg δ小

§5.4 线性粘弹性理论基础

线性粘弹性:粘性和弹性线性组合叫线性粘弹性 理想弹性

E=σ/ε 纯粘性

η=σ/γ=σ/(d ε/dt)

一、Maxwell 模型

σ1=E ε1

σ2=η(d ε2/dt) σ1=σ2=σ ε=ε1+ε2

d ε/dt= (d ε1/dt)+ (d ε2/dt)=

η

σ

σ+dt d E 1

即 d ε/dt=

η

σ

σ+dt d E 1 M 运动方程 d ε/dt=0

dt d E σ1=η

σ

σ(t)=σ0e -t/τ

τ=η/E

二、Kelvin 模型

σ1=E ε1 σ2=η(d ε2/dt) σ=σ1+σ2 ε=ε1=ε2

σ=E 1ε+η(d ε/dt) Kelvin 模型运动方程 d ε/dt+(E/η)ε-σ0/η=0 ε(t)=

)1('/0

τσt e E

-- τ’=η/E 推迟时间

u(t)= '

/1τt e

-- 蠕变函数

三、四元件模型

ε(t)= ε1+ ε2 +ε3=

1

E σ

+

t t E η

σσ

+

ψ∝

)( )(t ψ=1-e -t/τ

四、广义模型 :

松弛时间谱

§6.5 粘弹性两个基本原理

一、时—温等效原理

log a τ=log(τ/τs )=-c 1(T-Ts)/[c 2+(T-Ts)] (T

当Ts=Tg c 1 =17.44 c 2 =51.6

Ts=Tg+50℃ c 1 =51.6 c 2 =17.44

a τ=τ/τs 移动因子

(1)T —t 之间的转换(E η tg δ)

log τ- log τs=-C1(T-Ts)/[C2+(T-Ts)] Ts=T-50℃

Log a T = log τ1-log τ2 若:T=150℃ 对应τ=1s 求 Ts=100℃ 对应τs=?

已知 T 1=-50℃ T 2=-25℃ T 3= 0℃ T 4= 25℃ T 5= 50℃ T 6=75℃ T 7=100℃ T 8=125 ℃ 求T=25℃主曲线

二、Boltzmann 叠加原理

)()()(2211u t D u t D t -+-=σσε

ητ1'/1211)1(1

1)(u t e E E u t D u t -+-+=

--- η

τ2'/2212)1(11)(u t e E E u t D u t -+-+=

---

?∞

--=i

i i u d u t D t )()()(σε

附表:

第二部分教学要求

本章的容包括:

(1)高弹性的特点及橡胶状态方程的建立、应用

(2)粘弹性的概念、特征、现象

(3)线性粘弹性模型

(4)玻尔兹曼迭加原理、时-温等效原理及应用

难点:(1)动态粘弹性的理解

(2)时-温等效原理的理解

(3)松弛谱的概念

掌握容:(1)高弹性的特征和本质,橡胶的热力学和交联橡胶状态的物理意义;

(2)蠕变、应力松弛及动态力学性质的特征、分子运动机理及影响因素;

(3)线性粘弹性的Maxwell模型、Keliv模型、三元件模型及四元件模型。

理解容(1)高弹形变的热力学分析和统计理论

(2)线性粘弹性模型的推导

(3)叠加原理及实践意义

了解容:松弛谱的概念

第三部分习题

1.名词解释

普弹性高弹性粘弹性应力

拉伸应变剪切应变应力松弛蠕变

耗损耗因子动态力学性质

Maxwell模型 Keliv模型 Boltzmann叠加原理

2.填空题

(1)对于各向同性材料,其氏模量、剪切模量及体积模量之间的关系是___________________________。

(2)理想高弹性的主要特点是________________,_____________________,____________________和____________________。

(3)理想的交联橡胶的状态方程为_______________________;当考虑大分子末端无贡献得到的修正方程为______________________________;各

参数的物理意义分别是:_____为___________________,_____为

_______________,ρ为高聚物密度,_____为______________,Mn为

橡胶硫化前的数均分子

(4)粘弹性现象有_________、___________和_____________。

(5)聚合物材料的蠕变过程的形变包括__________、_________和_______________。

(6)交变外力作用下,作用频率一定时,在______________时高分子的复数模量等于它的实部模量,在_______________时它的复数模量等于它的

虚部模量。

(7)橡胶产生弹性的原因是拉伸过程中_______。

a.能的变化;

b.熵变;

c.体积变化。

(8)可以用时温等效原理研究聚合物的粘弹性,是因为______。

a.高

聚物的分子运动是一个与温度、时间有关的松弛过程;

b.高聚物的分子处于不同的状态;

c.高聚物是由具有一定分布的不同分子量的分子组成的。

(9)高分子材料的应力松弛程度与______有关。

a.外力大小;

b.外力频率;

c.形变量。

3.判断题

(1)高弹性是指材料能够产生大形变的能力。

(2)只要链段运动就能产生高弹形变。 (3)理想高弹性服从虎克弹性定律。

(4)复数模量中实部描述了粘弹性中的理想性,而虚部描述的是理想粘性。 (5)Boltzmann 原理说明最终形变是各阶段负荷所产生形变的简单加和。

4.高弹性的特点是什么?高弹性的本质是什么?如何通过热力学分析和高弹性的

统计理论来说明这些特点?

5. 运用热力学第一、第二定律推导

说明其物理意义,并以此解释为什么能产生很大的形变、形变可逆及拉伸时放热。

6. 理想橡胶和实际橡胶的弹性有什么差别?实际橡胶在什么形变的条件下出现

近似理想橡胶的弹性行为,为什么?

7. 根据橡胶的热力学方程式设计一种试验来说明理想橡胶的弹性是熵的贡献。

8. 交联橡胶弹性统计理论的假设有哪些?它得出了交联橡胶状态方程说明什么

问题?这个理论存在哪些缺陷?

9. 高弹切变模量为105 N/m 2

的理想橡胶在拉伸比为2时,单位体积储存的能量是

多少?

10. 在25℃下,用500g 的负荷将长2.8cm 宽1cm 厚0.2cm 的橡胶条拉伸为原长的

3倍,设橡胶的密度为0.964g/cm 3

,试计算橡胶胶条网链的平均分子量M c 。

11. 有一根长为长4cm ,截面积为0.05 cm 2

的交联橡胶。25℃时被拉伸到8cm ,已

知其密度为1g/cm 2,未交联橡胶的平均分子量为5×105

,交联后网链的平均

分子量为1×104

,试用橡胶弹性理论(经过自由末端校正)计算其氏模量。

12. 有一各向同性的硫化橡胶试样,其有效尺寸为长10cm 宽2cm 厚1cm 。已知其

剪切模量为4×105N/cm 2,泊松比为0.5,密度为1g/cm 3

,在25℃时用10kg 力拉此试样(发现变形很小)。问: (1)拉伸时试样伸长了多少?

(2)其交联点间的平均分子量为多少?

(3)1cm 3

中的网链数。

(4)拉伸时1cm 3

中放出的热量。

V

T V T l

S T l u f ,,)()(??-??=

13.把一轻度交联的橡胶试样固定在50%的应变下,测得其拉应力与温度的关系如

下表。求340 K下熵变对高弹应力贡献的百分比:

14.什么叫松弛过程?举例说明某一松弛过程的运动单元、观察条件(时间、温度)

和现象。

15.何为粘弹性?有何特征?

16.比较普弹性、理想高弹性、推迟高弹性的异同。

17.高聚物为什么会产生应力松弛?用分子运动论的观点解释之。

18.根据Maxwell模型推导公式:

σ=σ0e-t/τ

τ的物理意义是什么?它与温度有什么关系?

19.分别画出线性和交联高聚物的蠕变曲线,写出其线性—时间关系式,并用分子

运动论的观点解释之。

20.什么是高聚物粘弹性的Maxwell模型?它的运动方程式?试用Maxwell模型来

解释高聚物的应力松弛,并对松弛时间τ作出讨论。

21.试比较未硫化胶与硫化胶在室温下的应力松弛曲线。

22.垂直悬挂一砝码于橡胶带下,使之呈拉伸状态,当环境温度升高时,将观察到

什么现象?解释之。

23.用长10.16cm,宽1.27cm,厚0.317cm的橡胶试样做拉伸实验,所加负荷为

24.A、B两个相同的橡胶试样,原长均为10cm,把A、B连接在一起施加一定外力

(A处于25℃,B处于150℃),试样伸长到40 cm,求A、B拉伸后的长度各为多少?

25.下列模型分别描述什么样的粘弹现象?

26.什么叫四元件模型?它是怎样描述线性高聚物的?写出蠕变方程和回复方程,

并画出其曲线。

27.何为耗?产生耗的原因是什么?耗用什么表示?

28.分别画出耗—温度、耗—频率曲线,并说明二者的联系。

29.画出高聚物受不同频率(ω1<ω2<ω3)作用下的温度—形变曲线图(作用力下

的形变幅度恒定),并回答:

(1)静态可用的橡胶在动态下是否可用?为什么?

(2)静态可用的塑料在动态下是否可用?为什么?

30.何为动态粘弹性?它与静态粘弹性有何异同?说明为什么天然橡胶的Tg为–

70℃,而在交变力场中–10℃时就失去了弹性?

31.动态模量E*由哪几部分组成?各自的物理意义是什么?在什么情况下(温度、

频率)E*= E′,在什么情况下E*= E″?

32.在橡胶的应力—应变曲线中存在滞后现象,试解答:

(1)画出橡胶的拉伸回复损耗示意图;

(2)对应于同一应力,回缩时的形变值大于拉伸时的形变值的原因;

(3)拉伸曲线及回缩曲线下的面积及滞后圈所包围的面积的物理意义;

(4)推导拉伸回缩滞后圈面积大小ΔW和最大储能的值W,回答二者比值的意义及与tgδ的关系。

33.用如图所示的模型模拟高聚物的应力松弛行为,各参数如下:

E1=106 N/m2τ1=10 Sec

E2=107 N/m2 τ2=20 Sec

E3=108 N/m2 τ3=30 Sec

试问:当加固定应力拉至一定伸长后,经过10 Sec,它的松弛模量Et等于多少?

34.三参数模型如图所示:

(1)求该模型的蠕变柔量的表达式;

(2)当σ0=108 N/m2,E1=5×106 N/m2,E2=108 N/m2,η2=5×10 8N.S/m2 (3)求:5秒后的形变量。

35.苛聚合物可用三个并联的Maxwell单元组成的模型模拟其力学松弛行为。已

知模型中三个弹簧的模量及三个粘壶的粘度

E1=106 N/m2 η1=107 (Pa.s)

E2=107 N/m2 η2=108 (Pa.s)

E3=108 N/m2 η3=109(Pa.s)

(1)画出模型示意图。

(2)施加压力10秒时,其应力松弛模量E(10)之值。

36.根据玻尔兹曼叠加原理:画出线型高聚物试样在受到如图扬示加载程序时的蠕

变曲线示意图;设σ0=108 N/m2 , 该高聚物的普弹柔量为2×1011m2/N,平衡高弹柔量为1010 m2/N,高弹松弛时间为5秒,粘度为5×1011泊,试求试样第10秒时的应变值。

37.分析下表数据扬说明哪些结构因素对性能影响,并分析原因。

38.已知聚异丁烯在25℃时10小时模量可松弛到105N/m2,试用WLF方程求算在-

20℃下达到同样模量所需的时间,已知聚已丁烯的玻璃化温度为-70℃。

39.已知某聚合物材料的Tg=70℃,问使用WLF方程应该如何移动图中曲线(αT 为

何值?)才能获得100℃的应力松弛曲线?

40.聚合物的分子量()或交联度()对弹性模量的影响如右图所示,请标出试样分

子或交联度大小次序?经无效链必进后的橡胶应力-应变状态

41.已知聚异丁烯的Tg=197K.25℃下测量时间为1小时其应力松弛模量为3

*105N/M2.试计算:

(1)测量时间为1小时,-80℃时的应力松弛模量;

(2)测量时间为106小时,测得的模量与(1)题条件测得的模量相同时的测量温度是多少?

42.有一可溶性粉末关未知聚合物。要求:

(1)剖析结构特征,说明是何种聚合物;

(2)表征分子尺寸与聚集态结构;

(3)测定Tg和Tm;

(4)测定剪切模量和损耗因子。

(5)根据上述要求,设计一有效实验表征方案,说明如何制样和采用测定方法。

答案

1.名词解释

答:普弹性:高分子材料在外应力的作用下被拉伸时,在屈服点之前只产生小的线性可逆形变,其应力和应变服从虎克弹性定律,此种性质称为普弹性。

高弹性:高分子材料所具有的模量小,形变量大且可以迅速恢复的性质。

粘弹性:高聚物所表现出的机具有粘性又具有弹性的性质,它是聚合物材料由于其分子运动要克服摩檫,故它在外力作用下的形变产生与除去外力后的形变恢复与时间有关的性质。

应力:由外力或物体中的永久形变或物体受到非均向温度等因素的影响,从而引起的物体部单位截面上产生的力。应力是表面力,其大小和方向与所考虑点的位置及截面的方向有关。

拉伸应变:在拉伸式样中,测试样的伸长度与标准长度之比,即单位原长度的长度变化。为无因次量。

剪切应变:又称正切应变,剪切时的相对形变量。即由于剪切应力的作用而产生的应变。

应力松弛:物质体系在恒定的应变下,应力随时间而衰减的现象。

蠕变:物质体系在恒应力作用下,应变随时间而逐渐增加的现象。

耗:材料在交变应力作用之下产生的以热量形式散失的损耗。

损耗因子:定义tgδ=E”/E’,其中,E”为损耗模量,E为储能模量,他表示在一起的形变过程中损耗模量与最大储能模量之比。

动态力学性质:物体在交变的应力或应变作用下的力学行为。常用复数模量或复数柔亮等物理量来表示。高聚物的动态力学性质可随温度和时间而变化明显。

Maxwell模型:由一个理想弹簧和一个理想粘壶串联而成,模型受力时,两个模型的应力与总应力相等σ1=σ2=σ,而总应变等于两个元件的应变

之和ε=ε1+ε2

Keliv模型:由一个理想弹簧和一个理想粘壶并联而成,模型受力时,两个模型的应变相等ε=ε1=ε2,而总应力等于两个元件的应力之和σ=σ1+σ

2.。

Boltzmann叠加原理:高聚物的力学松弛行为是时其整个历史上诸松弛过程线性加和的结果。

2.填空题

答:(1)E=2G(1+γ)=3B(1-2 )

(2)模量低,形变量大可迅速恢复,模量随温度的升高而增大,高弹形变有明显的热效应。

(3)σ= N 0KT(λ-λ-2

)=

c M RT ρ (λ-λ-2

), σ=c

M RT ρ(1-)2n M c M (λ-λ-2) λ,拉伸比,R,气体常数,

c M ,有效链的平均分子量。

(4)蠕变,应力松弛,动态力学性能

(5)普弹形变,高弹形变,粘性流动。 (6)理想弹性流动,理想粘性流动。 (7)b (8)a (9)b 3.判断题 答:(1)错,在较小的外力下产生的大形变。 (2)错

(3)错,理想普弹性服从虎克弹性定律。 (4)对。

(5)错,Boltzmann 原理说明最终形变是其整个历史上诸松弛过程线性加和的结果。 4.答:(1)高弹性的特点:模量低;形变量大,可以迅速恢复;形变需要时间;

模量随温度的升高而增大;拉伸和压缩过程有明显的热效应。

(2)高弹性的本质是熵弹性是外力作用促使高聚物主链发生旋转的过程,是链段的运动。

(3)根据橡胶拉伸时发生的高弹性变,除去外力后可以恢复原状,即形变可逆,因此可以利用热力学第一和第二定律进行分析。详细推导略。

5.推导过程:设长度为l 0 的橡皮试样,等温时受外力f 拉伸,伸长为dl,由热力

学第一定律,

dU=Q δ-δW 。(1)

橡皮被拉伸时,体系对外做的功包括两部分,一部分是拉伸过程中体积变化时所做的功pdV ,另一部分是拉伸过程中形变所做的功-fdl,,即:

δW=pdV-fdl (2)

根据热力学第二定律,对于等温可逆过程,

Q δ= TdS (3)

将式(2)(3)代入式(1)得,

dU= TdS –pdV+fdl (4)

实验证明,橡胶在拉伸过程中体积几乎不变,dV ≈0,因此

dU= TdS +fdl 或写成 f= V T l U .)(

??-T V T l

S

.)(?? 其物理意义是:外力作用在橡胶上,一方面使橡胶的能随着伸长而变化,另一方面

使橡胶的熵随着伸长而变化,或者说,橡胶的力是由于变形时能发生变化和熵发生变化引起的;外力作用除去后,熵从小变大,它是橡胶分子链由伸直到蜷曲的过程,,因此有大的形变;在外力作用下,橡胶分子链由原来的蜷曲状态变为伸直状态,熵值由大变小,始终是一种不稳定的体系,外力除去后,就会自发恢复到原状态,这就说明了橡胶的形变可逆;在恒温可逆过程中,Q δ= TdS ,dS 为负值,那么Q δ也为负值,因此橡胶拉伸放热。 6.答:(1)理想橡胶和实际橡胶的弹性差别: 理想橡胶的弹性是完全由熵弹性引起的,实际橡胶是由熵弹性和能弹性两部分引起的;理想橡胶的交联网络是完美的,而实际橡胶的交联网络是有缺陷的;实际橡胶的拉伸过程会出现结晶现象。

(2)实际橡胶在等温等体积拉伸的条件下出现近似理想橡胶的弹性行为,因为橡胶此时的弹性行为完全是由熵的变化引起的,V T l

U

.)(

??=0,无能的变化。 7.答:

根据橡胶的热力学方程式设计一种试验来说明理想橡胶的弹性是熵的贡献。

8.答:(1)交联橡胶弹性统计理论的假设:形成网络的分子链具有相同的长度,网络各向同性;网链(交联点之间的分子链)运动服从高斯分布;形变时体积不变;仿射形变。

(2)交联橡胶状态方程 : σ= G(λ-λ-2

) =N 0KT(λ-λ-2

)=

c

M RT ρ (λ-λ-2

) 对橡胶的弹性作了定量分析;对交联网的应力与网链分子数目及交联度之间建立了定量关系,换言之,通过测定弹性模量E ,可知其交联密度;对高聚物的熵的概念有了进一步了解。

(3)这个理论缺陷:当形变较小(λ<1.5)时,l 理论与实际才符合得较好。当形变较大(λ>1.5)时,在形变适中的部位,实测应力值往往小于理论值,形变较大的部位,实测应力值急剧上升。对于大形变部分,一方面是由于高度变形的教练王忠,网链已接近它的极限伸长比,不符合高斯假定了。另一方面,分子链取向有序排列导致结晶,即应变诱发结晶。

9.解:W=

)32

(21-+λλG =?21105 ?(22+)32

2- =105

(J )

10.解: σ=A F =4

310

2.018.910500--????=2.455

10?(N/m 2 ) 由:σ=

c M RT ρ (λ-λ-2

) 得:c M =σ

ρRT (λ-λ-2

)

=531045.2298314.810964.0????)3

1

3(2

--? =28.16(kg/mol)

11.解: λ=8/4=2,ε=λ-1=1 σ=

c

M RT ρ(1-)2n M c

M (λ-λ-2) =

)21

2)(1051021(10101298314.81102

54343-??-?????- =4.1625

10?(N/m 2

E=

1

10

4.1625

?=ε

σ=4.1625

10?(N/m 2)

12.解: (1) E=2G(1+γ)=2?4?105

?(1+0.5)=1.2?106

(N/m 2

σ=

A

F =4.9?105(N/m 2

) E σ

ε===??6

5

10

2.1109.40.408 △L=ε L 0 = 4.08?10-2

m

高分子材料的高弹性和粘弹性

第二节高分子材料的高弹性和粘弹性 本章第二、三节介绍高分子材料力学性能。力学性能分强度与形变两大块,强度指材料抵抗破坏的能力,如屈服强度、拉伸或压缩强度、抗冲击强度、弯曲强度等;形变指在平衡外力或外力矩作用下,材料形状或体积发生的变化。对于高分子材料而言,形变可按性质分为弹性形变、粘性形变、粘弹性形变来研究,其中弹性形变中包括普通弹性形变和高弹性形变两部分。 高弹性和粘弹性是高分子材料最具特色的性质。迄今为止,所有材料中只有高分子材料具有高弹性。处于高弹态的橡胶类材料在小外力下就能发生100-1000%的大变形,而且形变可逆,这种宝贵性质使橡胶材料成为国防和民用工业的重要战略物资。高弹性源自于柔性大分子链因单键内旋转引起的构象熵的改变,又称熵弹性。粘弹性是指高分子材料同时既具有弹性固体特性,又具有粘性流体特性,粘弹性结合产生了许多有趣的力学松弛现象,如应力松弛、蠕变、滞后损耗等行为。这些现象反映高分子运动的特点,既是研究材料结构、性能关系的关键问题,又对正确而有效地加工、使用聚合物材料有重要指导意义。 一、高弹形变的特点及理论分析 (一)高弹形变的一般特点 与金属材料、无机非金属材料的形变相比,高分子材料的典型高

弹形变有以下几方面特点。 1、小应力作用下弹性形变很大,如拉应力作用下很容易伸长100%~1000%(对比普通金属弹性体的弹性形变不超过1%);弹性模量低,约10-1~10MPa(对比金属弹性模量,约104~105MPa)。 2、升温时,高弹形变的弹性模量与温度成正比,即温度升高,弹性应力也随之升高,而普通弹性体的弹性模量随温度升高而下降。 3、绝热拉伸(快速拉伸)时,材料会放热而使自身温度升高,金属材料则相反。 4、高弹形变有力学松弛现象,而金属弹性体几乎无松弛现象。 高弹形变的这些特点源自于发生高弹性形变的分子机理与普弹形变的分子机理有本质的不同。 (二)平衡态高弹形变的热力学分析 取原长为l0的轻度交联橡胶试样,恒温条件下施以定力f,缓慢拉伸至l0+ d l 。所谓缓慢拉伸指的是拉伸过程中,橡胶试样始终具有热力学平衡构象,形变为可逆形变,也称平衡态形变。 按照热力学第一定律,拉伸过程中体系内能的变化d U为: dU- = dQ dW (4-13) 式中d Q为体系吸收的热量,对恒温可逆过程,根据热力学第二定律有, dQ= TdS (4-14)

高分子化学 第三章

第三章参考答案 2.下列烯类单体适于何种机理聚合自由基聚合,阳离子聚合或阴离子聚合 并说明理由。 解: ①.氯乙烯,适于自由基聚合。Cl -是吸电子基团,有共轭效应,但均较弱 ②.偏二氯乙烯,适于自由基聚合,但也可进行阴离子聚合。两个Cl -原子的共同作用使其可进行两种聚合。 ③.丙稀腈,适于自由基聚合和阴离子聚合。CN -基是强吸电子基团,并有共轭效应。

④. 2-腈基丙稀腈,适于阴离子聚合。两个CN -基的吸电子基团倾向 过强,只能阴离子聚合。 ⑤. 丙稀,由于烯丙基效应,使其易向单体转移,不能进行自由基聚 合。一般采取配位聚合的方式合成聚合物。 ⑥. 异丁烯,适于阳离子聚合。3CH -是供电子基团,且与双键有超共 轭效应,而且两个3CH -的共同作用,使其可以阳离子聚合。 ⑦. 苯乙烯,适于自由基聚合,阳离子和阴离子聚合。因为共轭体系π 电子容易极化并易流动。 ⑧. 四氟乙烯,适于自由基聚合。F -原子体积小,结构对称。 ⑨. 2-腈基丙烯酸酯,适于阴离子聚合和自由基聚合。CN -基和 COOR -两个吸电子基团使其易于阴离子聚合,同时又具有共轭效应, 可进行自由基聚合。 ⑩. 异戊二烯,适于自由基聚合,阳离子和阴离子聚合。因为共轭体 系π电子容易极化并易流动。 3. 判断下列烯类能否进行自由基聚合,并说明理由。 解: ①. CH 2=C(C 6H 5)2 偏二苯乙烯,不能。因为二苯基的空间位阻过大,只能 形成二聚体。

②. ClHC=CHCl 1,2-二氯乙烯,不能。因为单体结构对称,1,2-二取代又 具有较大的空间位阻。 ③. CH 2=C(CH 3)C 2H 5 2-甲基丁烯,不能。由于双键上的电荷密度过大, 不利于自由基的进攻,且易转移生成稳定的烯丙基自由基。 ④. CH 3CH=CHCH 3 2-丁烯,不能。因为单体结构对称,空间位阻较大, 且易生成烯丙基自由基。 ⑤. CH 2=CHOCOCH 3 丙烯酸甲酯,能。酯基有弱的吸电子效应及共轭效 应。 ⑥. CH 2=C(CH 3)COOCH 3 甲基丙烯酸甲酯,能。1,1-二取代空间位阻小, 且酯基有共轭效应。 ⑦. CH 3CH==CHCOOCH 3 2-丁烯酸甲酯,不能。由于 1,2-二取代具有较 大的空间位阻。 ⑧. CF 2=CFCl 三氟氯乙烯,能。由于氟的原子半径小,位阻效应可以忽略。 5. 是否所有的自由基都可以用来引发烯类单体聚合试举活性不等自由基3~4例,说明应用结果。() 不是。过于活波和过于稳定的自由基都不能引发烯类单体聚合。只有活性适中的自由基才能引发单体聚合。例如:??3 CH H 和过于活波,易引起爆聚,很少在自由基聚合中应用;??256 RCH H C 和自由基都可以用来引发烯类单体聚合;而()?C H C 356有三个苯环与P 独电子共轭,非常稳定,无引发能力,而成为阻聚剂。

高分子第三章习题.

第三章自由基聚合 2、60℃过氧化二碳酸二乙基己酯在某溶剂中分解,用碘量法测定不同时间的残留引发剂浓度,数据如下,计算分解速率速率常数和半衰期。 解:引发剂分解属于一级反应,故-d[I]/dt=kd[I] 积分得ln[I]/[I]0=-kdt,以ln[I]/[I]0对t作图,所得直线的斜率为-kd。 3、在甲苯中不同浓度下测定偶氮二异丁腈的分解速率常数,数据如下,求分解活化能。再求40℃和80℃下的半衰期,判断在这两温度下聚合是否有效。 解:引发剂分解速率常数与温度的关系遵守Arrhenius 经验式: kd=Ade-Ed/RT ln kd=lnAd-Ed/RT 在不同温度下,测定一引发剂的分解速率常数,作ln kd—1/T图,呈一直线。由截距可求得指前因子Ad,而根据斜率可求出分解活化能Ed。

ln kd=34.175-15191/T 斜率K=-Ed/R 则 Ed=-K×R = -(-15191)×8.314 =126298J lnAd=34.175 当T=313K时, kd=5.8×10-7s-1 t1/2=0.693/kd=1.2×106s =331h 当T=353K时 t1/2=1.35h 4、引发剂半衰期与温度的关系式中的常数A、B与指前因子、活化能有什么关系?文献经常报道半衰期为1h和10h的温度,这有什么方便之处?过氧化二碳酸二异丙酯半衰期为1h和10h的温度分别为61℃和45℃,试求A、B值和56℃的半衰期。

列方程组容易解此题 5.过氧化二乙基的一级分解速率常数为1.0×1014exp(-14 6.5kJ/RT),在什么温度范围使用才有效? 解:引发剂的半衰期在1-10h内使用时,引发剂较为有效 由于kd=ln2/t1/2,根据题意kd= 1.0×1014exp(-146.5kJ/RT), 6、苯乙烯溶液浓度为0.20mol·L-1,过氧类引发剂浓度为4.0×10-3 mol·L-1,在60℃下聚合,如引发剂半衰期为44h,引发剂效率f=0.80,kp=145L·mol-1·s-1,kt=7.0×107L·mol-1·s-1,欲达到50%转化率,需多长时间? 解:不考虑[I]变化时,引发剂的半衰期为t1/2=44h,则 用引发剂引发时,聚合速率方程为:积分得:(绿色的)

第10章 弹性力学空间问题

第十章弹性力学空间问题知识点 空间柱坐标系 空间轴对称问题的基本方程空间球对称问题的基本方程布西内斯科解 分布载荷作用区域外的沉陷弹性球体变形分析 热应力的弹性力学分析方法坝体热应力 质点的运动速度与瞬时应力膨胀波与畸变波柱坐标基本方程 球坐标的基本方程 位移表示的平衡微分方程乐普位移函数 载荷作用区域内的沉陷球体接触压力分析 受热厚壁管道 弹性应力波及波动方程应力波的相向运动 一、内容介绍 对于弹性力学空间问题以及一些专门问题,其求解是相当复杂的。 本章的主要任务是介绍弹性力学的一些专题问题。通过学习,一方面探讨弹性力学空间问题求解的方法,这对于引导大家今后解决某些复杂的空间问题,将会有所帮助。另一方面,介绍的弹性力学专题均为目前工程上普遍应用的一些基本问题,这些专题的讨论有助于其它课程基本问题的学习,例如土建工程的地基基础沉陷、机械工程的齿轮接触应力等。 本章首先介绍空间极坐标和球坐标问题的基本方程。然后讨论布希涅斯克问题,就是半无限空间作用集中力的应力和沉陷。通过布希涅斯克问题的求解,进一步推导半无限空间作用均匀分布力的应力和沉陷、以及弹性接触问题。 另一方面,本章将介绍弹性波、热应力等问题的基本概念。 二、重点 1、空间极坐标和球坐标问题; 2、布希涅斯克问题; 3、半无限空间作 用均匀分布力的应力和沉陷;弹性接触问题;4、弹性波;5、热应力。

§10.1 柱坐标表示的弹性力学基本方程 学习思路: 对于弹性力学问题,坐标系的选择本身与问题的求解无关。但是,对于某些问题,特别是空间问题,不同的坐标系对于问题的基本方程、特别是边界条件的描述关系密切。某些坐标系可以使得一些特殊问题的边界条件描述简化。因此,坐标系的选取直接影响问题求解的难易程度。 例如对于弹性力学的轴对称或者球对称问题,如果应用直角坐标问题可能得不到解答,而分别采用柱坐标和球坐标求解将更为方便。 本节讨论有关空间柱坐标形式的基本方程。特别是关于空间轴对称问题的基本方程。 学习要点: 1、空间柱坐标系; 2、柱坐标基本方程; 3、空间轴对称问题的基本方程。 1、空间柱坐标系 在直角坐标系下,空间任意一点M的位置是用3个坐标(x,y,z)表示的,而在柱坐标系下,空间一点M的位置坐标用(ρ,?,z)表示。 直角坐标与柱坐标的关系为:x =ρ cos ?,y =ρ sin ? ,z = z 柱坐标下的位移分量为:uρ,u? , w 柱坐标下的应力分量为:σρ,σ? ,σz,τρ?,τ? z,τzρ 柱坐标下的应变分量为:ερ,ε? ,εz,γρ?,γ? z,γzρ 以下讨论柱坐标系的弹性力学基本方程。 2、柱坐标基本方程

5高聚物的高弹性和粘弹性

第五章 高聚物的高弹性和粘弹性 第一部分 主要内容 §5 高弹态和粘弹性 §5.1 高弹性的特点及热力学分析 一、高弹性的特点 (1 )E 小,ε大且可迅速恢复 (2)E随T 增大而增大3、拉伸或压缩过程:放热 二、理想高弹性的热力学分析——理想高弹性是熵弹性 1)橡胶拉伸过程热力学分析 d U=-dW +dQ dW =-f dl+PdU =-f dl dQ =TdS dU=Td S+f fd l 等温,等容过程 V T l U .)(??=T(V T l S .)(??+f f =-T V T l S .)( ??+V T l U .)(?? 熵 内能 所以,高弹性是一个熵变得过程 2)理想高弹性是熵弹性 f=-TV T l S .)( ??+V T l U .)(??

=f s +f u a f≈-T V T l S .)( ?? 弹性力是由熵变引起的 熵弹性 b f ∝T T ↑,f ↑,E=ε σ ↑ c 热弹较变现象 ε〈10%时, f 对T 作图为负值 §5.2 橡胶弹性的统计理论 一、理想弹性中的熵变 1)孤立链的S 在(x,y,z)位置的几率 W (x,y,z)=) (32222 )( z y x e ++-β π β β2= 2 23zb S=kl nn=c-k β2(x 2+y 2+z 2) 2)理想交联网的 假设 (1) 两交链点间的链符合高斯链的特征 (2)仿射变形

(3) (4) Si= c-k β2(x2i +y 2i +z 2 i ) Si’=c-k β2(λ12x2i +λ22y2i +λ32z 2i ) ΔS i= Si’- Si=-kβ2((λ12-1)x2i +(λ22 -1)y2i +(λ32-1)z 2i) 如果试样的网链总数为N ΔS=-K N/2(λ12+λ22+λ32 ) =-1/2KN (λ2+λ- 2-3) σ=-V T l S .)( ???=NKT(λ-λ-2) 二、真实(橡胶)弹性网与理论值比较及修正 (1)比较 a :λ很小, σ理=σ真 b:λ较小, σ理〉σ真 因自由端基或网络缺陷 c:λ较大,σ理〈σ真 因局部伸展或拉伸结晶引起 (2)修正 σ= NK T(λ-λ-2 )=Mc RT ρ (λ-λ-2 ) 当分子量为时 σ= Mc RT ρ(1-)2Mn Mc (λ-λ-2) 其中 N Mc N 1=ρ

弹塑性力学定理和公式

应力应变关系 弹性模量 ||广义虎克定律 1.弹性模量 对于应力分量与应变分量成线性关系的各向同性弹性体,常用的弹性常数包括: a 弹性模量单向拉伸或压缩时正应力与线应变之比,即 b 切变模量切应力与相应的切应变之比,即 c 体积弹性模量三向平均应力 与体积应变θ(=εx+εy+εz)之比,即 d 泊松比单向正应力引起的横向线应变ε1的绝对值与轴向线应变ε的绝对值之比,即 此外还有拉梅常数λ。对于各向同性材料,这五个常数中只有两个是独立的。常用弹性常数之间的关系见表3-1 弹性常数间的关系。室温下弹性常数的典型值见表3-2 弹性常数的典型值。 2.广义虎克定律 线弹性材料在复杂应力状态下的应力应变关系称为广义虎克定律。它是由实验确定,通常称为物性方程,反映弹性体变形的物理本质。 A 各向同性材料的广义虎克定律表达式(见表3-3 广义胡克定律表达式)对于圆柱坐标和球坐标,表中三向应力公式中的x 、y、z分别用r、θ、z和r、θ、φ代替。对于平面极坐标,表中平面应力和平面应变公式中的x、y、z用r、θ、z代替。 B 用偏量形式和体积弹性定律表示的广义虎克定律应力和应变张量分解为球张量和偏张量两部分时,虎克定律可写成更简单的形式,即 体积弹性定律 应力偏量与应变偏量关系式 在直角坐标中,i,j=x,y,z;在圆柱坐标中,i,j=r,θ,z,在球坐标中i,j=r,θ,φ。

弹性力学基本方程及其解法 弹性力学基本方程 || 边界条件 || 按位移求解的弹性力学基本方法 || 按应力求解的弹性力学基本方程 || 平面问题的基本方程 || 基本方程的解法 || 二维和三维问题常用的应力、位移公式 1.弹性力学基本方程 在弹性力学一般问题中,需要确定15个未知量,即6个应力分量,6个应变分量和3个位移分量。这15个未知量可由15个线性方程确定,即 (1)3个平衡方程[式(2-1-22)],或用脚标形式简写为 (2)6个变形几何方程[式(2-1-29)],或简写为 (3)6个物性方程[式(3-5)或式(3-6)],简写为 或 2.边界条件 弹性力学一般问题的解,在物体内部满足上述线性方程组,在边界上必须满足给定的边界条件。弹性力学问题按边界条件分为三类。 a 应力边界问题在边界Sσ表面上作用的表面力分量为F x、F y、F z.。面力与该点在物体内的应力分量之间的关系,即力的边界条件为 式中,l nj=cos(n,j)为边界上一点的外法线n对j轴的方向余弦。 这一类问题中体积力和表面力是已知的,求解体内各点的位移、应变和应力。 b 位移边界问题在边界S x上给定的几何边界条件为

第7章聚合物的粘弹性

第7章聚合物的粘弹性7.1基本概念 弹:外力→形变→应力→储存能量→外力撤除→能量释放→形变恢复 粘:外力→形变→应力→应力松驰→能量耗散→外力撤除→形变不可恢复 理想弹性: 服从虎克定律 σ=E·ε 应力与应变成正比,即应力只取决于应变。 理想粘性:服从牛顿流体定律 应力与应变速率成正比,即应力只取决于应变速率。 总结:理想弹性体理想粘性体 虎克固体牛顿流体

能量储存能量耗散 形状记忆形状耗散 E=E(σ.ε.T) E=E(σ.ε.T.t) 聚合物是典型的粘弹体,同时具有粘性和弹性。 E=E(σ.ε.T.t) 但是高分子固体的力学行为不服从虎克定律。当受力时,形变会随时间逐渐发展,因此弹性模量有时间依赖性,而除去外力后,形变是逐渐回复,而且往往残留永久变形(γ∞),说明在弹性变形中有粘流形变发生。 高分子材料(包括高分子固体,熔体及浓溶液)的力学行为在通常情况下总是或多或少表现为弹性与粘性相结合的特性,而且弹性与粘性的贡献随外力作用的时间而异,这种特性称之为粘弹性。粘弹性的本质是由于聚合物分子运动具有松弛特性。 7.2聚合物的静态力学松弛现象 聚合物的力学性质随时间的变化统称为力学松弛。高分子材料在固定应力或应变作用下观察到的力学松弛现象称为静态力学松弛,最基本的有蠕变和应力松弛。 (一)蠕变 在一定温度、一定应力的作用下,聚合物的形变随时间的变化称为蠕变。

理想弹性体:σ=E·ε。 应力恒定,故应变恒定,如图7-1。 理想粘性体,如图7-2, 应力恒定,故应变速率为常数,应变以恒定速率增加。 图7-3 聚合物随时间变化图聚合物:粘弹体,形变分为三个部分; ①理想弹性,即瞬时响应:则键长、键角提供; ②推迟弹性形变,即滞弹部分:链段运动 ③粘性流动:整链滑移

弹性力学题库

第一章绪论 1、所谓“完全弹性体”是指(B)。 A、材料应力应变关系满足虎克定律 B、材料的应力应变关系与加载时间、历史无关 C、本构关系为非线性弹性关系 D、应力应变关系满足线性弹性关系 2、关于弹性力学的正确认识是(A)。 A、计算力学在工程结构设计中的作用日益重要 B、弹性力学从微分单元体入手分析弹性体,因此与材料力学不同,不需要对问题作假设 C、任何弹性变形材料都是弹性力学的研究对象 D、弹性力学理论像材料力学一样,可以没有困难的应用于工程结构分析 3、下列对象不属于弹性力学研究对象的是(D)。 A、杆件 B、板壳 C、块体 D、质点 4、弹性力学研究物体在外力作用下,处于弹性阶段的应力、应变和位移。 5、弹性力学可以解决材料力学无法解决的很多问题;并对杆状结果进行精确分析,以及验算材力结果的适用范围和精度。与材料力学相比弹性力学的特点有哪些? 答:1)研究对象更为普遍; 2)研究方法更为严密; 3)计算结果更为精确; 4)应用范围更为广泛。 6、材料力学研究杆件,不能分析板壳;弹性力学研究板壳,不能分析杆件。(×) 改:弹性力学不仅研究板壳、块体问题,并对杆件进行精确的分析,以及检验材料力学公式的适用范围和精度。 7、弹性力学对杆件分析(C)。 A、无法分析 B、得出近似的结果 C、得出精确的结果 D、需采用一些关于变形的近似假定 8、图示弹性构件的应力和位移分析要用什么分析方法?(C)

A 、材料力学 B 、结构力学 C 、弹性力学 D 、塑性力学 解答:该构件为变截面杆,并且具有空洞和键槽。 9、弹性力学与材料力学的主要不同之处在于( B )。 A 、任务 B 、研究对象 C 、研究方法 D 、基本假设 10、重力、惯性力、电磁力都是体力。(√) 11、下列外力不属于体力的是(D ) A 、重力 B 、磁力 C 、惯性力 D 、静水压力 12、体力作用于物体内部的各个质点上,所以它属于内力。(×) 解答:外力。它是质量力。 13、在弹性力学和材料力学里关于应力的正负规定是一样的。( × ) 解答:两者正应力的规定相同,剪应力的正负号规定不同。 14、图示单元体右侧面上的剪应力应该表示为(D ) A 、xy τ B 、yx τ C 、zy τ D 、yz τ 15、按弹性力学规定,下图所示单元体上的剪应力( C )。

弹性力学 第四章 应力和应变关系

第四章应力和应变关系知识点 应变能原理 应力应变关系的一般表达式完全各向异性弹性体 正交各向异性弹性体本构关系弹性常数 各向同性弹性体应变能格林公式 广义胡克定理 一个弹性对称面的弹性体本构关系各向同性弹性体的应力和应变关系应变表示的各向同性本构关系 一、内容介绍 前两章分别从静力学和运动学的角度推导了静力平衡方程,几何方程和变形协调方程。由于弹性体的静力平衡和几何变形是通过具体物体的材料性质相联系的,因此,必须建立了材料的应力和应变的内在联系。应力和应变是相辅相成的,有应力就有应变;反之,有应变则必有应力。对于每一种材料,在一定的温度下,应力和应变之间有着完全确定的关系。这是材料的固有特性,因此称为物理方程或者本构关系。 对于复杂应力状态,应力应变关系的实验测试是有困难的,因此本章首先通过能量法讨论本构关系的一般形式。分别讨论广义胡克定理;具有一个和两个弹性对称面的本构关系一般表达式;各向同性材料的本构关系等。 本章的任务就是建立弹性变形阶段的应力应变关系。 二、重点 1、应变能函数和格林公式; 2、广义胡克定律的一般表达式; 3、具 有一个和两个弹性对称面的本构关系;4、各向同性材料的本构关系; 5、材料的弹性常数。 §4.1 弹性体的应变能原理 学习思路: 弹性体在外力作用下产生变形,因此外力在变形过程中作功。同时,弹性体内部的能量也要相应的发生变化。借助于能量关系,可以使得弹性力学问题的求

解方法和思路简化,因此能量原理是一个有效的分析工具。 本节根据热力学概念推导弹性体的应变能函数表达式,并且建立应变能函数表达的材料本构方程。 根据能量关系,容易得到由于变形而存储于物体内的单位体积的弹性势能,即应变能函数。 探讨应变能的全微分,可以得到格林公式,格林公式是以能量形式表达的本构关系。 如果材料的应力应变关系是线性弹性的,则单位体积的应变能必为应变分量的齐二次函数。因此由齐次函数的欧拉定理,可以得到用应变或者应力表示的应变能函数。 学习要点:1、应变能;2、格林公式;3、应变能原理。 1、应变能 弹性体发生变形时,外力将要做功,内部的能量也要相应的发生变化。本节通过热力学的观点,分析弹性体的功能变化规律。 根据热力学的观点,外力在变形过程中所做的功,一部分将转化为内能,一部分将转化为动能;另外变形过程中,弹性体的温度将发生变化,它必须向外界吸收或释放热量。设弹性体变形时,外力所做的功为d W,则 d W=d W1+d W2 其中,d W1为表面力F s所做的功,d W2为体积力F b所做的功。变形过程中,由外界输入热量为d Q,弹性体的内能增量为d E,根据热力学第一定律, d W1+d W2=d E - d Q 因为 将上式代入功能关系公式,则

聚合物的粘弹性

第7章聚合物的粘弹性 7.1基本概念 弹:外力→形变→应力→储存能量→外力撤除→能量释放→形变恢复 粘:外力→形变→应力→应力松驰→能量耗散→外力撤除→形变不可恢复 理想弹性: 服从虎克定律 σ=E·ε 应力与应变成正比,即应力只取决于应变。 理想粘性:服从牛顿流体定律 应力与应变速率成正比,即应力只取决于应变速率。 总结:理想弹性体理想粘性体 虎克固体牛顿流体 能量储存能量耗散 形状记忆形状耗散 E=E(σ.ε.T) E=E(σ.ε.T.t) 聚合物是典型的粘弹体,同时具有粘性和弹性。 E=E(σ.ε.T.t) 但是高分子固体的力学行为不服从虎克定律。当受力时,形变会随时间逐渐发展,因此弹性模量有时间依赖性,而除去外力后,形变是逐渐回复,而且往往残留永久变形(γ∞),说明在弹性变形中有粘流形变发生。 高分子材料(包括高分子固体,熔体及浓溶液)的力学行为在通常情况下总是或多或少表现为弹性与粘性相结合的特性,而且弹性与粘性的贡献随外力作用的时间而异,这种特性称之为粘弹性。粘弹性的本质是由于聚合物分子运动具有松弛特性。 7.2聚合物的静态力学松弛现象 聚合物的力学性质随时间的变化统称为力学松弛。高分子材料在固定应力或应变作用下观察到的力学松弛现象称为静态力学松弛,最基本的有蠕变和应力松弛。 (一)蠕变 在一定温度、一定应力的作用下,聚合物的形变随时间的变化称为蠕变。

理想弹性体:σ=E·ε。 应力恒定,故应变恒定,如图7-1。 理想粘性体,如图7-2, 应力恒定,故应变速率为常数,应变以恒定速率增加。 图7-3 聚合物随时间变化图 聚合物:粘弹体,形变分为三个部分; ①理想弹性,即瞬时响应:则键长、键角提供; ②推迟弹性形变,即滞弹部分:链段运动 ③粘性流动:整链滑移 注:①、②是可逆的,③不可逆。 总的形变: (二)应力松弛 在一定温度、恒定应变的条件下,试样内的应力随时间的延长而逐渐减小的现象称为应力松弛。 理想弹性体:,应力恒定,故应变恒定 聚合物: 由于交联聚合物分子链的质心不能位移,应力只能松弛到平衡值。 应力松弛的原因是由于试样所承受的应力逐渐消耗于克服链段运动的内摩擦力。一般分子间有化学键交联的聚合物,由于不发生粘流形变,应力可以不松弛至零。 蠕变及应力松弛过程有强的温度依赖性,当温度低于Tg时,由于τ很大,蠕变及应力松弛过程很慢,

最新弹性力学答案

【1-4】应力和面力的符号规定有什么区别?试画出正坐标面和负坐标面上的正的应力和正的面力的方向。【解答】应力的符号规定是:当作用面的外法线方向指向坐标轴方向时(即正面时),这个面上的应力(不论是正应力还是切应力)以沿坐标轴的正方向为正,沿坐标轴的负方向为负。当作用面的外法线指向坐标轴的负方向时(即负面时),该面上的应力以沿坐标轴的负方向为正,沿坐标轴的正方向为负。 面力的符号规定是:当面力的指向沿坐标轴的正方向时为正,沿坐标轴的负方向为负。 由下图可以看出,正面上应力分量与面力分量同号,负面上应力分量与面力分量符号相反。 正的应力 正的面力 【2-1】试分析说明,在不受任何面力作用的空间体表面附近的薄层中(图2-14)其应力状态接近于平面应力的情况。 【解答】在不受任何面力作用的空间表面附近的薄层中,可以认为在该薄层的上下表面都无面力,且在薄层内所有各点都有0===z xz yz σττ,只存在平面应力分量,,x y xy σστ,且它们不沿z 方向变化,仅为x ,y 的函数。可以认为此问题是平面应力问题。 【2-2】试分析说明,在板面上处处受法向约束且不受切向面力作用的等厚度薄片中(2-15),当板边上只受x ,y 向的面力或约束,且不沿厚度变化时,其应变状态接近于平面应变的情况。 【解答】板上处处受法向约束时0z ε=,且不受切向面力作用,则 0xz yz γγ==(相应0zx zy ττ==)板边上只受x ,y 向的面力或约束,所以仅存在,,x y xy εεγ,且不沿厚度变化,仅为x ,y 的函数,故其应变状态接近于平面 应变的情况。 O z y

【2-3】在图2-3的微分体中,若将对形心的力矩平很条件C M 0=∑改为对角点的力矩平衡条 件,试问将导出什么形式的方程? 【解答】将对形心的力矩平衡条件 C M 0=∑, 改为分别对四个角点A 、B 、D 、E 的平衡条件,为计算方便,在z 方向的尺寸取为单位1。 0A M =∑ 1()1()11222()1()1110 222 xy x y x xy y y yx y yx x x dx dy dy dx dx dy dx dy dx dy x x dx dy dx dy dx dy dx dy f dxdy f dxdy y y τσσστσστστ????++??-+??-?? ????-+??++??+??-??=?? (a) 0B M =∑ ()1()1()122 111110 2222 yx y x x yx y xy x y x y dy dx dx dy dy dx dy dy dx x y y dy dx dy dx dy dx dy dx f dxdy f dxdy τσσστστσσ???+ ??++??++?????-??-??-??+??+??= (b) 0D M =∑ ()111122 1()1110 2222 y y xy x yx x x x x y dx dy dy dx dy dx dy dx dy y dx dy dy dx dx dx dy f dxdy f dxdy x σστστσσσ?+ ?? -??+??+????-??-+??-??+??=? (c) 0E M =∑ ()1111222 ()1()1110 222y y x yx y xy x x xy x y dx dy dx dy dx dy dx dy dx y dy dy dx dx dy dx dy dx f dxdy f dxdy x x σσστστσστ?-+ ?? +??+??+??- ???+??-+??-??+??=?? (d) 略去(a)、(b)、(c)、(d)中的三阶小量(亦即令2 2 ,d xdy dxd y 都趋于0),并将各式都除以dxdy 后合并同类项,分别得到xy yx ττ=。 【分析】由本题可得出结论:微分体对任一点取力矩平衡得到的结果都是验证了切应力互等定理。

聚合物的粘弹性

第七章聚合物的粘弹性 一、概念 1、蠕变 在一定温度、一定应力的作用下,聚合物的形变随时间的变化称为蠕变。 2、应力松弛 在固定的温度和形变下,聚合物的内部应力随时间的增加而衰减的现象称为应力松弛。 3、滞后现象与力学内耗 滞后现象:聚合物在交变应力作用下,应变落后于应力的现象。 力学内耗:由于发生滞后现象,在每一循环变化中作为热损耗掉的能量与最大储存能量之比成为力学内耗。 4、时温等效原理 从分子运动的松驰性质可知,同一力学松驰现象,既可在较高的温度下,较高的时间内观察到,也可以在较低的温度下,较长时间内观察到。因此,升高温度与延长时间对分子运动是等效的,对聚合物的粘弹性也是等效的,这就是时温等效原理。 适用范围Tg ~ Tg+100 5、Blotzmann叠加原理 高聚物的力学松驰行为是其整个历史上诸松驰过程的线性加和的结果。对于蠕变过程,每个负荷对高聚物的变形的贡献是独立的,总的蠕变是各个负荷起的蠕变的线性加和,对于应力松驰过程,每个应变对高聚物的应力松驰的贡献也是独立的,高聚物的总应力等于历史上诸应变引起的应力松驰过程的线性加和。 二、选择答案 1、粘弹性是高聚物的重要特征,在适当外力作用下,(B )有明显的粘弹性现象。 A、T g以下很多 B、T g附近 C、T g以上很多 D、f附近 2、关于WLF方程,说法不正确的为(A )。 A、严格理论推导公式 B、T g参考温度,几乎对所有聚合物普遍适用 C、温度范围为T g~T g+100℃ D、WLF方程是时温等效原理的数学表达式 3、(C )模型基本上可用于模拟交联聚合物的蠕变行为。 A、Flory, B、Huggins, C、Kelvin, D、Maxwell 4、(D )模型可以用于模拟线性聚合物的应力松弛行为。 A、Flory, B、Huggins, C、Kelvin, D、Maxwell

弹性力学的求解方法和一般性原理

第五章弹性力学的求解方法和一般性原理 一.内容介绍 通过弹性力学课程学习,我们已经推导和确定了弹性力学的基本方程和常用公式。本章的任务是对弹性力学所涉及的基本方程作一总结,并且讨论具体地求解弹性力学问题的方法。 弹性力学问题的未知量有位移、应力和应变分量,共计15个,基本方程有平衡微分方程、几何方程和本构方程,也是15个。面对这样一个庞大的方程组,直接求解显然是困难的,必须讨论问题的求解方法。根据这一要求,本章的主要任务有三个: 一是综合弹性力学的基本方程,并按边界条件的性质将问题分类; 二是根据问题性质,确定基本未知量,建立通过基本未知量描述的基本方程,得到基本解法。弹性力学问题的基本解法主要是位移解法、应力解法和混合解法等。应该注意的是对于应力解法,基本方程包括变形协调方程。 三是介绍涉及弹性力学求解方法的一些基本原理。主要包括解的唯一性原理、叠加原理和圣维南原理等,这些原理将为今后的弹性力学问题解建立基础。 如果你在学习本章内容时有困难,请及时查阅和复习前三章相关内容,以保证今后课程的学习。 二. 重点 1.弹性力学基本方程与边界条件分类; 2.位移解法与位移表示的平衡微分方程; 3. 应力解法与应力表示的变形协调方程; 4. 混合解法; 5. 逆解法和半逆解法; 6. 解的唯一性原理、叠加原理和圣维南原理 知识点 弹性力学基本方程边界条件位移表示的平衡微分方程应力解法 体力为常量时的变形协调方程物理量的性质逆解法和半逆解法 解的迭加原理弹性力学基本求解方法位移解法位移边界条件 变形协调方程混合解法应变能定理解的唯一性原理圣维南原理

§5.1 弹性力学的基本方程及其边值问题 学习思路: 通过应力状态、应变状态和本构关系的讨论,已经建立了一系列的弹性力学基本方程和边界条件。本节的主要任务是将基本方程和边界条件作综合总结,并且对求解方法作初步介绍。 弹性力学问题具有15个基本未知量,基本方程也是15个,因此问题求解归结为在给定的边界条件下求解偏微分方程。 由于基本方程与15个未知量的内在联系,例如已知位移分量,通过几何方程可以得到应变分量,然后通过物理方程可以得到应力分量;反之,如果已知应力分量,也可通过物理方程得到应变分量,再由几何方程的积分求出位移分量,不过这时的应变分量必须满足一组补充方程,即变形协调方程。基于上述的理由,为简化求解的难度,可以选取部分未知量作为基本未知量求解。 根据基本未知量,弹性力学问题可以分为应力解法、位移解法和混合解法。 上述三种求解方法对应于偏微分方程的三种边值问题。 学习要点: 1. 弹性力学基本方程; 2. 本构方程; 3. 边界条件; 4. 弹性力学边值问题; 首先将弹性力学基本方程综合如下: 1. 平衡微分方程 用张量形式描述 2. 几何方程

弹性力学作业总结

一、综述 这学期我们有幸跟着邱老师学习了弹性力学这门课程,虽然我本科是学习机械专业的,但经过这学期的系统学习,使我对弹性力学的认识也越发的清晰,我对平面问题、空间问题等基本知识有了较为清晰的了解与掌握,会用逆解法、半逆解法、差分法、变分法和有限元法解决一些基础的弹性力学问题。 弹性力学是固体力学的一个分支,研究弹性体由于外力作用或温度改变等原因而发生的应力、形变和位移。它是学习塑性力学、断裂力学、有限元方法的基础,广泛应用于建筑、机械、化工、航天等工程领域。本课程较为完整的表现了力学问题的数学建模过程,建立了弹性力学的基本方程和边值条件,并对一些问题进行了求解。弹性力学基本方程的建立为进一步的数值方法奠定了基础。二、绪论 弹性力学所依据的基本规律有三个:变形连续规律、应力-应变关系和运动(或平衡)规律,它们有时被称为弹性力学三大基本规律。弹性力学中许多定理、公式和结论等,都可以从三大基本规律推导出来。通过对弹性力学的学习,我感觉整本书就讲了十五个控制方程解十五个未知数。而剩下的问题就是如何求解这些方程的问题,这也是数学和力学结合最紧密的地方。而求解的方法无外乎有:基于位移的求解(位移法)和基于应力的求解(应力函数法),差分法、变分法。而前人的研究大部分都是如何使这些方程求解起来更方便。弹性力学思路清晰,但是方程和公式复杂。 1.工程力学问题建立力学模型的过程,一般要对三方面进行简化:结构简化、材料简化及受力简化。建模过程如右图: 结构简化:如空间问题向平面问题的简 化,向轴对称问题的简化,实体结构向板、 壳结构的简化。 受力简化:根据圣维南原理,复杂力系 简化为等效力系。 材料简化:根据各向同性、连续、均匀 等假设进行简化。

高分子材料第三章题目

名解 电粘效应:当聚电解质溶液的浓度逐渐变稀时,电解质溶质在水中的电离度相应增加,大分子链上电荷密度增加,分子链更加舒张伸展,使得溶液黏度迅速上升 二.选择题 1. 溶剂对聚合物溶解能力的判定原则,说法错误的是(B) A“极性相近”原则 B“高分子溶剂相互作用参数X1大于0.5”原则 C“内聚能密度或溶度参数相近”原则 D“第二维修系数A2大于0”原则 2. 聚合物溶度参数一般与其(A)无关 A分子量 B极性大小 C分子间力 D内聚能密度 3. 聚合物的分子量(C) A 对于多分散性聚合物,数均分子量<重均分子量<粘均分子量 B 单分散性聚合物,数均分子量=重均分子量=粘均分子量 C 粘度法得到的是重均分子量 D 以上均不是 4. 下列哪项不属于溶解高分子材料溶剂选择的基本原则(A) A pH值相似原则 B 溶度参数相近原则 C 极性相似相溶原则 D 溶剂化原则 5..聚合物溶解必要条件是(A) A 、吉布斯自由能变化(△ Gm)小于零。 B 、吉布斯自由能变化(△ Gm )大于零。 C 、吉布斯自由能变化(△ Gm )等于。 D 、以上均不正确 6. 控释、缓释给药的机制不包括(C) A、扩散、溶解 B、渗透 C、释放和穿透 D、离子交换和高分子挂接 7. 高分子化合物分子量的测定方法为(B) A、气相色谱法 B、黏度法 C、X -衍射 D、原子吸收光谱 填空 既不溶于溶剂也不会熔融的高聚物属于(体)型高聚物。既可溶于适当

的溶剂,又会熔融的高聚物属于(线)型高聚物 2. 粘度为流体中两个液层之间内摩擦力大小的量,度粘度的表示方法有相对粘度、增比粘度、比浓粘度、比浓对数粘数、特性粘数 3、膜分离过程可概述为以下三种形式:渗析式膜分离、过滤式膜分离、液膜分离 简答问答 1. 高分子的溶解过程如何?对晶态和非晶态高聚物来讲,有何不同?答:聚合物的溶解是一个缓慢过程,包括两个阶段:先溶胀后溶解。 交联聚合物,由于交联的束缚不能溶解。但交联点之间的链段可发生弯曲和伸展,因此可发生溶胀。 非晶态聚合物:溶剂分子容易渗入高聚物内部使之溶胀和溶解。 晶态高聚物:溶解困难。加热到熔点附近才能溶解;如果发生强烈的相互作用,如形成氢键,则在室温下也可溶解。 2. 试述特性粘度与分子量的关系。 答:如果高聚物分子的分子量愈大,则它与溶剂间的接触表面也愈大,摩擦就大,表现出的特粘度也大。特性粘度和分子量之间的经验关系可以用Mark-Houwink方程(马克-霍温克方程)来表示: 式中,M为试样的分子量;K为比例常数;α是与分子形状有关的经验参数。K和α值与温度、聚合物、溶剂性质有关,也和分子量大小有关。K 值受温度的影响较明显,而α值主要取决于高分子线团在某温度下,某溶剂中舒展的程度。 3.在强聚电解质离子溶液中加入低分子电解质或外加的盐浓度达到临界浓度时,聚电解质离子从溶液中析出,那么引起这种相分离现象的原因是什么? 答:引起这种现象的原因主要有两个方面,一是低分子反离子屏蔽了聚离子的部分电荷,减少了聚离子本身之间的斥力,就像异号离子使胶体溶液沉淀一样;二是反离子与聚离子中某些基团形成定位束缚或络合,改变了基团的离子性质,提高了聚离子链中非高子链节的成分,从而降低了聚离子与水分子间的亲和力(溶剂化作用),当不断加入低分子电解质时,非离子链节不断增多,最后大分子便从水中析出。 4 高分子溶液的性质 荷电性(正电、负电)、粘性(粘稠性液体)、聚结特性(水化膜破坏、荷电发生改变)、胶凝性(温度降低时成为凝胶)、渗透压(较高,与浓度有关 5. 似晶格模型的不合理之处有哪些?

高聚物的高弹性和粘弹性

第五章 高聚物的高弹性和粘弹性 第一部分 主要容 §5 高弹态和粘弹性 §5.1 高弹性的特点及热力学分析 一、高弹性的特点 (1 )E 小,ε大且可迅速恢复 (2)E 随T 增大而增大3、拉伸或压缩过程:放热 二、理想高弹性的热力学分析——理想高弹性是熵弹性 1) 橡胶拉伸过程热力学分析 dU=-dW+dQ dW=-fdl+PdU=-fdl dQ=TdS dU=TdS+f fdl 等温,等容过程 V T l U .)( ??=T(V T l S .)(??+f f=-T V T l S .)(??+V T l U .)(?? 熵 能 所以,高弹性是一个熵变得过程 2) 理想高弹性是熵弹性

f=-T V T l S .)(??+V T l U .)(?? =f s +f u a f ≈-T V T l S .)(?? 弹性力是由熵变引起的 熵弹性 b f ∝T T ↑,f ↑,E=εσ ↑ c 热弹较变现象 ε〈10%时, f 对T 作图为负值 §5.2 橡胶弹性的统计理论 一、理想弹性中的熵变 1)孤立链的S 在(x,y,z)位置的几率 W(x,y,z)=) (32222)(z y x e ++-βπβ β2=223 zb S=klnn=c-k β2(x 2+y 2+z 2) 2)理想交联网的

假设 (1) 两交链点间的链符合高斯链的特征 (2)仿射变形 (3) (4) Si= c-k β2(x 2i +y 2i +z 2i ) Si ’=c-k β2(λ12x 2i +λ22y 2i +λ32z 2i ) ΔSi= Si ’- Si=-k β2((λ12-1)x 2i +(λ22-1)y 2i +(λ32-1)z 2i ) 如果试样的网链总数为N ΔS=-KN/2(λ12+λ22+λ32) =-1/2KN(λ2+λ-2-3) σ=-V T l S .)(???=NKT(λ-λ-2) 二、真实(橡胶)弹性网与理论值比较及修正 (1)比较 a :λ很小, σ理=σ真 b :λ较小, σ理〉σ真 因自由端基或网络缺陷 c :λ较大,σ理〈σ真 因局部伸展或拉伸结晶引起 (2)修正 σ= NKT(λ-λ-2)= Mc RT ρ (λ-λ-2) 当分子量为时 σ=Mc RT ρ(1-)2Mn Mc (λ-λ-2)

悬臂梁 弹性力学

《弹性理论及其工程应用》课程三级项目说明书 学生姓名:李志鹏 专业班级: 10级工设一班 指导教师:周庆田 得分:

一、设计任务 使用matlab 软件对端部受集中载荷的悬臂梁进行数值分析 具体内容 1. 对悬臂梁进行应力及位移分析,并以云图形式给出结果。 2. 由图形结果确定梁最易折断部分。 1.首先讨论梁内应力分布。 其边界条件为: (σx )0x ==0; (τxy )h ±=y =0; (σy )h ±=y =0; F= -? +-h h dy xy τ σx = 2 f 2y ???= xy c 1 (a) (f ?为应力函数) 双调和方程为:4 4x f ???+ 2 2 2 4y x f ????+ 4 4y f ???=0 (b ) 通过对(a )、(b )两式积分可得: )(2)(673622 2c y c x c y c x f y +++=??= ?σ (c ) 4322212232 1c x c x c y c y x f xy ----=???-=?τ (d )

2.系数的确定 由上述边界条件及(c )、(d )可得: 07632 ====c c c c ; 2 14 21h c c -= ; I F h F c -=-=3123δ ( 3 3 2h I δ=为截面对中性轴的截面二次矩【惯性矩】) 至此,所有常数均已求出,于是可得应力场: I Fxy x - =σ 0=y σ )(222 y h I F xy --=τ 3.然后讨论梁内位移分布 (1)应用应变位移关系及胡克定律,由应力场方程可得出: )](2[)1(222x y h I F E G x v y u EI Fxy E y v EI Fxy E x u xy xy y y x --+===??+??=-==??-===??ντγννσεσε 通过对上式积分得到位移表达式:

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