动态粘弹谱仪测定聚合物的动态力学性能-高分子物理-实验13-14
聚合物温度-形变曲线的测定
浓度对粘度的影响，常以如下二个经验公式表达粘度对浓度的依赖关系。
ηSP/c=[η]+k´[η]²c
（1）
㏑ηr/c=[η]-β[η]²c
（2）
式中ηSP 叫做增比粘度，ηr 叫做相对粘度，若以η0 表示溶液的粘度，η表示溶液粘
度，则
ηr=η/η0；ηSP=（η-η0）/η0=ηr-1
（3）
式（1）和（2）中的 c 为溶液浓度，k´和β均为常数，显然
高分子物理实验讲义
材料学院
2006.5
目录
实验一 偏光显微镜法观察聚合物的结晶形态………………………2 实验二 粘度法测定聚合物的分子量…………………………………5 实验三 聚合物的热分析—差示扫描量热法…………………………9 实验四 聚合物温度-形变曲线的测定………………………………13 实验五 高聚物表观粘度和粘流活化能的测定 ……………………16 实验六 高分子材料应力-应变曲线的测定…………………………23 实验七 高聚物的应力松弛测定 ……………………………………26 实验八 动态粘弹谱法测定聚合物的动态力学性能 ………………29 实验九 高聚物的高频介电损耗测定 ………………………………35
五、数据处理、结果与讨论： 1. 记录制备试样的条件、观察到的现象。 2. 给出所观察到的球晶形貌图。 3. 写出显微尺标定目镜分度尺的标定关系，计算所测球晶半径大小。
六、思考题： 1. 使用偏光显微镜应注意那些问题？ 2. 结合实验讨论影响球晶生长的主要因素。 3. 结晶温度的控制对球晶大小有什么关系？ 4. 讨论结晶生长条件与结晶形态的关系，结晶形态与聚合物制品性质之间的关系。
5. PLM 研究液晶态的织构 液晶态织构的研究，可鉴定液晶类型，探索液晶内部指向矢变化。液晶织构实质上是液
物理实验技术中的材料粘弹性能测试方法与实验技巧
物理实验技术中的材料粘弹性能测试方法与实验技巧材料的粘弹性能是指在外力作用下，材料表现出固体与液体特性的能力。
粘弹性能测试在材料科学和工程中起着重要的作用，可以用来评估材料的性能和工程应用的可行性。
本文将介绍几种常见的材料粘弹性能测试方法和实验技巧。
1. 压缩试验压缩试验是一种常见的测试方法，用于评估材料的弹性和塑性行为。
在压缩试验中，应用一个固定的力或者应变来压缩材料，并测量材料的应力应变曲线。
通过分析曲线的形状和斜率变化，可以获得材料的弹性模量、塑性变形行为等信息。
在进行压缩试验时，需要注意以下实验技巧：-选择合适的加载速率，避免快速加载导致冲击载荷；-为了保持测试样品的均匀负载，在样品底部和顶部的接触面上使用均匀分布的载荷；-尽量避免应力集中，选择合适的样品尺寸和夹具设计。
2. 拉伸试验拉伸试验是另一种常见的测试方法，用于评估材料的拉伸特性和断裂强度。
在拉伸试验中，应用一个拉伸载荷来拉伸材料，并测量材料的形变和载荷。
通过分析载荷-形变曲线和断口形貌，可以获得材料的弹性模量、屈服强度、断裂韧性等信息。
在进行拉伸试验时，需要注意以下实验技巧：-选择合适的加载速率，避免快速加载导致冲击载荷；-为了保持测试样品的均匀负载，在样品夹具上应用适当的夹持力；-避免试样端部的应力集中，选择合适的样品形状和夹具设计。
3. 动态力学分析动态力学分析是一种用于评估材料粘弹性能的高级测试方法。
它结合了压缩和拉伸等多种加载方式，并通过施加不同频率和振幅的加载，来研究材料对时间和频率的响应。
在进行动态力学分析时，需要注意以下实验技巧：-选择合适的加载模式和频率范围，以充分了解材料在不同应力条件下的行为；-保持恒定的试验环境温度和湿度，以消除环境因素对测试结果的影响；-根据材料的特性和研究目的，选择合适的测试设备和传感器。
总结起来，材料粘弹性能测试是一个复杂而细致的过程，需要合适的实验方法和技巧来保证测试结果的准确性和可靠性。
高分子物理实验指导书详解
高分子物理实验指导书合肥工业大学高分子科学与工程系2011年6月目录实验一偏光显微镜观察聚合物结晶形态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 实验二膨胀计法测定聚合物玻璃化温度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 实验三粘度法测定高聚物分子量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 实验四聚合物熔融指数的测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13 实验五聚合物应力应变曲线的测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17实验一偏光显微镜观察聚合物结晶形态一、实验目的了解偏光显微镜的结构及使用方法；观察聚合物的结晶形态，以加深对聚合物结晶形态的理解。
二、实验原理聚合物的结晶受外界条件影响很大，而结晶聚合物的性能与其结晶形态等有密切的关系，所以对聚合物的结晶形态研究有着很重要的意义。
聚合物在不同条件下形成不同的结晶，比如单晶、球晶、纤维状晶等等，面其中球晶是聚合物结晶时最常见的一种形式。
球晶可以长得比较大，直径甚至可以达到厘米数量级。
球晶是从一个晶核在三维方向上一齐向外生长而形成的径向对称的结构，由于是各向异性的，就会产生双折射的性质。
因此，普通的偏光显微镜就可以对球晶进行观察，因为聚合物球晶在偏光显微镜的正交偏振片之间呈现出特有的黑十字消光图形。
偏光显微镜的最佳分辨率为200nm，有效放大倍数超过500-1000倍，与电子显微镜、X射线衍射法结合可提供较全面的晶体结构信息。
球晶的基本结构单元是具有折叠链结构的片晶，球晶是从一个中心(晶核)在三维方向上一齐向外生长晶体而形成的径向对称的结构，即一个球状聚集体。
光是电磁波，也就是横波，它的传播方向与振动方向垂直。
但对于自然光来说，它的振动方向均匀分布，没有任何方向占优势。
但是自然光通过反射、折射或选择吸收后，可以转变为只在一个方向上振动的光波，即偏振光(如图1-1，箭头代表振动方向，传播方向垂直于纸面)。
a) b)图1-1 自然光和线偏振光的振动现象a) 自然光b) 线偏振光一束自然光经过两片偏振片，如果两个偏振轴相互垂直，光线就无法通过了。
动态粘弹谱仪测定聚合物的动态力学性能-高分子物理-实验13-14介绍
这里 J1(ω) =｜J ｜cosδ，
也是应力作用频率ω的函数，所以J1(ω)、J2 (ω)也是频率ω的函数。
J1(ω)
δ
G
G2(ω)
•
|J|
∗
J2(ω)
δ
G1(ω) 图2 在复平面上复数模量 G 与储能模量G1(ω)和损耗模量G2(ω)(左)，复数柔量 | J | 与储能柔量J1(ω) 和损耗柔量J2(ω) 的关系(右)
测 试 方 法 频 率 范 围 /H z
σ(t) =
这里，
σ sinωt
是交变应力σ(t)
∧
自 由 振 动衰 减 法 扭 摆 扭 辫 受 迫 振 动共 振 法 振 簧 受 迫 振 动 非共 振 法 粘弹谱 仪 驻波 法 波 传 导 法 0 .1 - 1 0
4
σ
∧
1 0 - 5 x1 0
的峰值， 应变ε(t)将是时间 的什么函数？对虎克弹体，
1
的进步， 已有可能在实验中的任一时刻直接测量该时刻的振幅和相位差， 从而避免了扭摆和 扭辫实验中每一次都必须等待它慢慢衰减和动态振簧法每点必达共振而引起的实验时间过 长的不足。扭摆、扭辫、振簧和粘弹谱仪是一般高分子物理实验室中最常用的动态力学实验 方法，其中尤以动态粘弹谱仪最为人受用。 （2）λ ≈ b， 由于应力波长 λ 与聚合物试样尺寸 b 相近，应力波在聚合物试样中形成 驻波。测量驻波极大、驻波节点位置可计算得到杨氏模量 E 和损耗角正切 tgδ 。驻波法特 别适用于合成纤维力学行为的测定。 （3）λ << b， 是波传导法。由于应力波比聚合物试样小，应力波（通常使用声波）在 试样中传播。测定应力波的传播速度和波长的衰减可求得聚合物材料的模量 E 和损耗角正 切 tanδ 。显然，波传导法也特别适用于合成纤维力学行为的测定。 这里重要的是各种测试方法的频率范围。各种测试方法的频率范围为 维持应力 σ(t) 为正弦 函数
高分子物理课后答案
第7章聚合物的粘弹性1.举例说明聚合物的蠕变、应力松弛、滞后和内耗现象。
为什么聚合物具有这些现象？这些现象对其的使用性能存在哪些利弊？2.简述温度和外力作用频率对聚合物内耗大小的影响。
画出聚合物的动态力学普示意图，举出两例说明谱图在研究聚合物结构与性能方面的应用。
3.指出Maxwell模型、Kelvin模型和四元件模型分别适宜于模拟哪一类型聚合物的那一种力学松弛过程？答：Maxwell模型适宜于模拟线形聚合物的应力松弛过程，Kelvin模型适宜于模拟交联聚合物的蠕变过程，四元件模型适宜于模拟线形聚合物的蠕变过程。
4.什么是时温等效原理？该原理在预测聚合物材料的长期使用性能方面和在聚合物加工过程中各有哪些指导意义？答：（1）升高温度与延长时间对分子运动是等效的，对聚合物的粘弹行为也是等效的，这就是时温等效原理。
（2）需要在室温条件下几年甚至上百年完成的应力松弛实验实际上是不能实现的，但可以在高温条件下短期内完成；或者需要在室温条件下几十万分之一秒或几百万分之一秒中完成的应力松弛实验，可以在低温条件下几个小时甚至几天内完成。
5.定量说明松弛时间的含意。
为什么说作用力的时间相当时，松弛现象才能被明显地观察到？答：（1）松弛时间是粘性系数和弹性系数的比值；（2）如果外加应力作用时间极短，材料中的粘性部分还来不及响应，观察到的是弹性应变。
反之，若应力作用的时间极长，弹性应变已经回复，观察到的仅是粘性流体贡献的应变，材料可考虑为一个简单的牛顿流体。
只有在适中的应力作用时间，材料的粘弹性才会呈现，应力随时间逐渐衰减到零，这个适中的时间正是松弛现象的内部时间尺度松弛时间τ。
6.简述聚合物粘弹理论的研究现状与展望。
答：略。
7.一某种聚合物材料作为两根管子接口法兰的密封垫圈，假设该材料的力学行为可以用Maxwell模型来描述。
已知垫圈压缩应变为0.2，初始模量为3e6N/m2,材料应力松弛时间为300d，管内流体的压力为0.3e6N/m2,试问多少天后接口处将发生泄露？答：208d。
物理实验技术中的粘弹性测量与分析
物理实验技术中的粘弹性测量与分析引言：物理实验技术是研究物质性质的重要工具之一，而粘弹性则是一个涉及材料力学性质和变形响应的重要领域。
粘弹性测量与分析是物理实验技术中的一个关键内容，它有助于我们理解材料的性能和应用。
本文将介绍一些常见的粘弹性测量方法和分析技术，以及它们在材料研究和应用中的重要性。
一、粘弹性的概念和特征粘弹性是材料力学性质的一种特性，指材料在受力后的弹性变形和粘性变形。
粘弹性材料具有两个主要特征：弹性变形和粘性变形。
弹性变形是指材料在受力后能够恢复到原始形状，而粘性变形是指材料在受力后会出现持久性变形。
二、常见的粘弹性测量方法1. 动态力学分析动态力学分析方法通常使用粘弹仪、万能材料试验机等设备来测量材料的动态力学响应。
通过施加周期性载荷和位移，测量材料的动态应力、应变和相位差等参数，可以获得材料的动态粘弹性参数，如储能模量、损耗模量以及阻尼系数等。
2. 拉伸和压缩实验拉伸和压缩实验是常见的测量材料粘弹性的方法之一。
通过在标准加载条件下施加拉伸或压缩载荷，测量材料的应力-应变曲线，可以获得材料的弹性模量、屈服强度以及屈服延伸率等参数。
3. 微观力学实验近年来，随着纳米技术和扫描探针技术的发展，微观力学实验成为研究粘弹性的重要手段。
通过在纳米或微米尺度上应用微观力学实验，可以获得材料的纳米弹性模量、纳米硬度以及纳米摩擦系数等参数，从而揭示材料的粘弹性特征。
三、粘弹性分析技术1. 流变学分析流变学是研究物质流动和变形的一门学科，通过流变学分析方法可以揭示材料的粘弹性特征。
常见的流变学分析方法包括旋转流变法、挤出流变法以及剪切流变法等。
通过测量应力和应变之间的关系，可以获得材料的流变应力、流变率以及流变指数等参数，进而分析材料的粘弹性特征。
2. 轮廓仪测量轮廓仪是一种常用的表面形貌测量仪器，通过测量材料的表面形貌和变形情况，可以获得材料的变形形貌以及应变分布特征。
通过分析材料的表面形貌变化和形貌参数，可以揭示材料的粘弹性特征和变形机制。
聚合物动态力学性能测定
实验7 聚合物动态力学性能的测定聚合物材料，如塑料、橡胶、纤维及其复合材料等都具有粘弹性，用动态力学的方法研究聚合物材料的粘弹性，已证明是一种非常有效的方法。
材料的动态力学行为是指材料在振动条件下，即在交变应力（或交变应变）作用下作出的力学响应。
测定材料在一定温度范围内的动态力学性能的变化即为动态力学分析（dynamic mechanical thermal analysis, DMTA ）一、二、实验目的了解动态力学分析的测量原理及仪器结构。
了解影响动态力学分析实验结果的因素，正确选择实验条件。
掌握动态力学分析的试样制备及测试步骤。
掌握动态力学分析在聚合物分析中的应用。
实验原理聚合物的粘弹性是指聚合物既有粘性又有弹性的性质，实质是聚合物的力学松弛行为。
研究聚合物的粘弹性常采用正弦的交变应力，使试样产生的应变也以正弦方式随时间变化。
这种周期性的外力引起试样周期性的形变，其中一部分所做功以位能形式贮存在试样中，没有损耗，而另一部分所做功，在形变时以热的形式消耗掉。
应变始终落后应力一个相位，以拉伸为例，当试样受到交变的拉伸应力作用时，其交变应力和应变随时间的变化关系如下： 应力 )sin(0δϖσσ+=t (7-1))900(0<<δ应变t ϖεεsin 0= (7-2) 式中0σ和0ε为应力和形变的振幅；ω是角频率；δ是应变相位角。
式（7-1）和式（7-2）说明应力变化要比应变领先一个相位差δ，见图7.1。
图7.1 应力应变和时间的关系将式（7-1）展开为：δϖσδωσσsin cos cos sin 00t t += (7-3)即认为应力由两部分组成，一部分)cos sin (δϖσt 与应变同相位，另一部分)sin cos (0δϖσt 与应变相差2/π。
根据模量的定义可以得到两种不同意义的模量，定义'E 为同相位的应力和应变的比值，而''E 为相位差2/π的应力和应变的振幅的比值，即t E t E ϖεωεσcos ''sin '00+= （7-4）此时模量是一个复数，叫复数模量*E 。
动态粘弹谱仪测定聚合物的动态力学性能-高分子物理-实验13-14
3
由复数的指数表达式 ei t = cosωt + isinωt
ω
iei t = icosωt - sinωt
ω
可见sinωt是复数ei t的虚数部分 ，记作 Im(ei t) = sinωt；cosωt是复数 iei t的虚数部分，
ω ω ω
记作 Im(iei t) = cosωt。则
ω
ε(t) =
σ
= Im[ = Im[
∧
[J1(ω)Im(ei t) －J2(ω)Im(iei t) ]
ω
ω
σ σe
∧ ∧
∧
( J1(ω)ei t－ iJ2(ω)ei t ) ]
ω ω
iωt
(J1(ω)－iJ2(ω) )
因为
σ
∧
Im(ei t) =
ω
σ sinωt = σ(t)，并记
*
J 则
=
J1(ω)－iJ2(ω)
ε ε
∧
∧
ei t，则dε(t)/t
ω
= iω ei
ωt
ε
∧
ei t，代入得
ω
ei t = iωη
ω
ε
∧
* G = iωη * 这里复数模量G 只有虚数部分，可见在流动时没有能量的储存，储能模量G1(ω)=0，只有 能量的损耗G2(ω) = ωη。动态粘度就定义为
η动态 = G2(ω)/ω
它表示在阻尼振动时聚合物自身的内耗。 在交变应力作用下聚合物粘弹性行为的特征性状可由图 3、4 一目了然。取lgJ1(ω)和 lgJ2(ω)对lgω作图，在频率ω很高时，储能柔量是一常数，但值很小。此时材料就象一块 弹性固体。当频率降低时，储能柔量逐渐增大到另一个比较大的常数值，材料表现为高弹 性，像橡胶一样。中间的转变区域复盖了好几个数量级的频率ω。当频率进一步降低时， 线性聚合物由于有流动，其储能柔量继续增大，材料就像粘性液体。对交联聚合物，由于不 可能出现流动仍保持在高弹态。
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3
由复数的指数表达式 ei t = cosωt + isinωt
ω
iei t = icosωt - sinωt
ω
可见sinωt是复数ei t的虚数部分 ，记作 Im(ei t) = sinωt；cosωt是复数 iei t的虚数部分，
ω ω ω
记作 Im(iei t) = cosωt。则
ω
ε(t) =
1
的进步， 已有可能在实验中的任一时刻直接测量该时刻的振幅和相位差， 从而避免了扭摆和 扭辫实验中每一次都必须等待它慢慢衰减和动态振簧法每点必达共振而引起的实验时间过 长的不足。扭摆、扭辫、振簧和粘弹谱仪是一般高分子物理实验室中最常用的动态力学实验 方法，其中尤以动态粘弹谱仪最为人受用。 （2）λ ≈ b， 由于应力波长 λ 与聚合物试样尺寸 b 相近，应力波在聚合物试样中形成 驻波。测量驻波极大、驻波节点位置可计算得到杨氏模量 E 和损耗角正切 tgδ 。驻波法特 别适用于合成纤维力学行为的测定。 （3）λ << b， 是波传导法。由于应力波比聚合物试样小，应力波（通常使用声波）在 试样中传播。测定应力波的传播速度和波长的衰减可求得聚合物材料的模量 E 和损耗角正 切 tanδ 。显然，波传导法也特别适用于合成纤维力学行为的测定。 这里重要的是各种测试方法的频率范围。各种测试方法的频率范围为 维持应力 σ(t) 为正弦 函数
ε ε
∧
∧
ei t，则dε(t)/t
ω
= iω ei
ωt
ε
∧
ei t，代入得
ω
ei t = iωη
ω
ε
∧
* G = iωη * 这里复数模量G 只有虚数部分，可见在流动时没有能量的储存，储能模量G1(ω)=0，只有 能量的损耗G2(ω) = ωη。动态粘度就定义为
η动态 = G2(ω)/ω
它表示在阻尼振动时聚合物自身的内耗。 在交变应力作用下聚合物粘弹性行为的特征性状可由图 3、4 一目了然。取lgJ1(ω)和 lgJ2(ω)对lgω作图，在频率ω很高时，储能柔量是一常数，但值很小。此时材料就象一块 弹性固体。当频率降低时，储能柔量逐渐增大到另一个比较大的常数值，材料表现为高弹 性，像橡胶一样。中间的转变区域复盖了好几个数量级的频率ω。当频率进一步降低时， 线性聚合物由于有流动，其储能柔量继续增大，材料就像粘性液体。对交联聚合物，由于不 可能出现流动仍保持在高弹态。
σ ε
和
关系以及相位差δ，显然这里用复数
是方便的(图 2)，它将使计算大大简化。应变的峰值
ε
∧
当然依赖于应力的峰值
σ ，现在令
∧
ε =｜J ｜
*
*
σ
*
∧
这里J 为复数柔量，｜J ｜是它的绝对值，则
ε(t) =
ε
=
∧
/(｜J ｜cosδsinωt －｜J ｜sinδcosωt )
*
*
σ
*
∧
( J1(ω)sinωt －J2(ω)cosωt ) J2 (ω) =｜J ｜sinδ。说明相位差δ除与材料本身有关外，它
*
*
*
*
*
*
△W =
2 π/ ω ∫0σ(t)dε(t)
2 π/ ω = ∫0 σ(t) [dε(t)/dt]dt 把σ(t) =
σ sinωt，
2 π/ ω
∧
dε(t)/dt =
σ
∧
[ωJ1(ω)cosωt +J2(ω)sinωt] 代入
△W = ∫0 令ωt =θ 则
σ σ
∧
2
∧
2
sinωt[ωJ1(ω)cosωt +J2(ω)sinωt]dt 2π / ω 2 π/ ω
σ
= Im[ = Im[
∧
[J1(ω)Im(ei t) －J2(ω)Im(iei t) ]
ω
ω
σ σe
∧ ∧
∧
( J1(ω)ei t－ iJ2(ω)ei t ) ]
ω ω
iωt
(J1(ω)－iJ2(ω) )
因为
σ
∧
Im(ei t) =
ω
σ sinωt = σ(t)，并记
*
J 则
=
J1(ω)－iJ2(ω)
测 试 方 法 频 率 范 围 /H z
σ(t) =
这里，
σ sinωt
是交变应力σ(t)
∧
自 由 振 动衰 减 法 扭 摆 扭 辫 受 迫 振 动共 振 法 振 簧 受 迫 振 动 非共 振 法 粘弹谱 仪 驻波 法 波 传 导 法 0 .1 - 1 0
4
σ
∧
1 0 - 5 x1 0
的峰值， 应变ε(t)将是时间 的什么函数？对虎克弹体，
ε
∧
sinδsin(ωt－π/2)比应力落后 90°，是材料粘性的反映。
ε
σ
∧
ε
∧
t
δ /ω
图1
动态力学试验中应力和应变。在正弦函数应力 σ (t)= σ 应变之间存在有一个相位角，应变落后于应力。
∧
sinω t 作用下，应变也是一个正弦函数，但应力与
∧
应力σ(t)和应变ε(t)的关系表现在其峰值
7
Perkin Elmer 的动态力学粘弹谱仪。 Rheolograph-solid动态粘弹谱仪的主机结构如图 5b 所示。它由温控箱、驱动器、载荷 传感器、位移传感器和预张力控制器等部件组成。温控箱的温度由PID温度控制器控制，用 电热丝（约 300W）加热和用液氮冷却，控温范围为－150～+250 °C。在炉内，聚合物试样 被夹持在两个夹具中。整个炉子被分成上下两部分，操作起来很是方便。驱动器是向试样提 供正弦振动的装置。载荷传感器被用来检测施加在试样上的力F。位移传感器是一种非接触 式的微位移测定器，测定试样的微小位移ΔA 。位移传感器由伺服马达和一套齿轮构成，它 有两个功能， 一是用来把夹持的试样拉挺， 更重要的是它还要给所测聚合物试样一个预应力。 由于整台仪器由计算机全自动控制， 这里就有了模拟信号和数字信号相互变换的转换单元和 模拟单元。Rheolograph-solid动态粘弹谱仪不但能测定聚合物的力学性能，还能测定聚合物 的介电性能和压电性能。所以仪器的放大器不但有应变放大，还有一个电荷放大器。 聚合物试样两端经过夹具，连杆分别与驱动器，应力传感器和位移检测器相连接。试样 在预张力下由驱动器施加一固定频率的正弦伸缩振动。 预张力的作用是使试样在受到伸缩振 动时始终产生张应力。 应力传感器和位移检测器分别检测到同样振动频率的正弦频率的正弦
实验十三 动态粘弹谱仪测定聚合物的动态力学性能
一、实验目的 1．通过动态粘弹谱仪对硬质塑料的模量-温度曲线、内耗-温度曲线的测定，了解聚合 物材料动态力学测试的一般方法。 2．了解动态粘弹谱仪的实验原理，实验方法，从而了解现代科学技术对聚合物材料动 态力学性能测试的应用。 二、实验原理 动态力学试验是聚合物材料在交变应力或交变应变作用下， 观察其应变或应力随时间的 变化。无论从实用或理论的观点来看，动态力学试验均是重要的。譬如在机电工业中使用的 许多塑料零件如塑料齿轮、阀片、凸轮等都是在周期性的动载荷下工作的。橡胶轮胎、力车 胎更是不停地承受交变载荷作用，合成纤维做的衣服穿在身上受我们身体活动而产生的交 变应力作用等等，所有这些都说明交变应力的作用是一种更为普遍的情况，动态力学试验 是一种更接近材料实际使用条件的试验。 动态力学试验可以同时测得模量和力学阻尼，在实际使用时材料的模量固然重要，但 力学阻尼也是重要的。聚合物泡沫减振材料就是利用了它们高的力学阻尼。但是对轮胎，高 的阻尼会使它很快发热和温度升高，以致过早破损。聚合物的动态力学性能对玻璃化转变、 次级转变、结晶、交联、相分离以及高分子链的近程结构的许多特征和材料本体的聚集态结 构都是十分敏感的，因此，动态力学试验也是研究聚合物固体分子运动的有力工具。 聚合物材料的动态力学测试方法很多， 按应力波长 λ（= 2π /ω）与聚合物试样尺寸 b 的相互关系，可以把动态力学测试方法分为三大类。 （1）λ >> b， 这时，在 2π 的时间里试样受到的力在不同部位是各不相同的。这里又 有自由振动衰减和受迫振动之分。 扭摆和扭辫是典型的自由振动衰减法。 扭摆是动态力学测 试中最简单、最常用的一种。在扭摆和扭辫实验中，测定的量是扭振的特征频率和振幅的衰 减。将试样事先扭一个很小的角度，立即松开，试样即以一定周期来回扭振。由振动周期可 。由于聚合物本身的粘弹损耗，振动的振幅随时间而不 计算聚合物试样的模量（剪切模量G） 断衰减。由振幅的衰减可计算聚合物试样的内耗Δ。扭辫是扭摆的进一步改良，原理是完全 一样的。动态振簧法是典型的受迫振动共振实验，它是通过测定聚合物试样共振频率fr和共 振半宽度频率Δ fr来分别求取试样实数模量（杨氏模量 E）和虚数模量（详见本书的实验十 二） 。动态粘弹谱仪是受迫振动非共振实验，由于现代科学技术的进展，特别是微电子技术
*
这里 J1(ω) =｜J ｜cosδ，
也是应力作用频率ω的函数，所以J1(ω)、J2 (ω)也是频率ω的函数。
J1(ω)
δ
G
G2(ω)
•
|J|
∗
J2(ω)
δ
G1(ω) 图2 在复平面上复数模量 G 与储能模量G1(ω)和损耗模量G2(ω)(左)，复数柔量 | J | 与储能柔量J1(ω) 和损耗柔量J2(ω) 的关系(右)
1 0 -3 - 1 0 1000以 上 10 5 - 10 7
2
应变也是相同的正弦函数 ε(t) =
ε
∧
sinωt （同样，
，没有任何 ε 是应变ε(t)的峰值）
∧
相位差。牛顿液体正相反，用来变形的能量全部损耗成热，应变与应力有 90°的相位差。 介于这两种极端状态中间的聚合物粘弹体， 则是部分能量变为位能储存起来， 另一部分则变 成热而损耗掉。作为热而损耗掉的能量就是力学阻尼的作用。 因此，在正弦函数应力作用下，线性粘弹体的应变也是一个具有相同频率的正弦函数， 但与应力之间有一个相位差，即