力学损耗因子.docx

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1、第7章聚合物的粘弹性本章教学目的：1熟悉聚合物的粘弹性现象和分子机理（包括蠕变现象、应力松弛现象、滞后现象、力学损耗）。2、了解粘弹性的力学模型理论（Maxwell模型、Kelvin模型和多元件模型）。3、了解储能模量、损耗模量、损耗角正切之间关系。4、了解分子运动与动态力学谱之间的关系。5、了解时温等效原理（WLF方程）及应用。6、了解Boltzmann叠加原理及应用。7.1普通粘弹概念7.1.1基本概念弹：外力—形变—应力—储存能量外力撤除—能量释放—形变恢复能量完全以弹性能的形式储存，然后又全部以动能的形式释放，没有能量的损耗＜粘：外力—形变—应力—应力松弛—能量耗散

2、外力撤除—形变不可恢复1、理想弹性体其应力—应变关系服从虎克定律，即c=E"应力与应变成正比（即应力只取决于应变），普弹模量E只与材料本质有关，不随时间改变。应变在加力的瞬时达到平衡值，除去外力时，普弹形变瞬时完全回复。应力恒定，故应变恒定，见图7-1。AMW=AAAAM图7-1聚合物普弹形变&时间关系2、理想粘性液体（牛顿流体）其应力—应变行为服从牛顿定律二二二d-dt理想粘性液O（即应力只取决于应变速率），7为常数，等于单位速度梯度时的剪切应力，反映了分子间由于相互作用而产生的流动阻力，即内摩擦力的大小，单位为Pas。形变随时间线性变化，当除去外力时形变不可回复。应力恒

3、定，故r为常数，应变以恒定速10率增加，见图7-2。弹性与粘性比较:弹性粘性1010能量储存能量耗散永久形变E（匚，；,T,t）模量与时间有关形变回复E（匚，；,T）模量与时间无关高分子液体，除了粘度特别大以外，其流动行为往往不服从牛顿定律，即7随剪切速率而变化。原因：流动过程中伴随着构象的改变，T不再是常数；而当外力除去时，链分子重新卷曲（解取向）。高分子液体在流动过程中仍包含有熵弹性形变，即含有可回复的弹性形变。高分子固体力学行为不服从虎克定律。受力时，形变随时间逐渐发展，弹性模量有时间依赖性，而除去外力后，形变是逐渐回复，且往往残留永久变形（说明在弹性变形中有粘流形变

4、发生。高分子材料（包括高分子固体，熔体及浓溶液）的力学行为表现为弹性与粘性相结合的特性。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，见图7-3。粘弹性的本质是由于聚合物分子运动具有松弛特性。10聚合物（典型的粘弹体）：E=E（叭e,T,t）作为粘弹性材料的聚合物，其力学性能受到力、形变、温度和时间4个因素的影响。在聚合物的加工中，有可能4个因素同时变化。而在测试和研究工作中，往往固定两个因素以考察另外两个因素之间的关系：（1）在一定温度和恒定应力作用下，观察试样应变随时间增加而逐渐增大的蠕变现象；（2）在一定温度和恒定应变条件下，观察试样内部的应力随时间增

5、加而逐渐衰减的应力松弛现象；（3）在一定温度和循环（交变）应力作用下，观察试样应变滞后于应力变化的滞后现象。以上3种现象统称聚合物的力学松弛现象。蠕变、应力松弛属于静态粘弹性，滞后现象属于动态粘弹性。7.1.2聚合物的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。最基本的有蠕变和应力松弛。7.1.2.1蠕变在一定温度和恒定应力（拉力、压力、扭力等）的作用下，聚合物的形变随时间的增加而逐渐增大的现象。图7-4是描述这一过程的蠕变曲线和蠕变回复曲线。图7-4蠕变曲线高分子材料蠕变包括三个形变过程：（1）普弹形变（1）聚合物受力时，瞬时发生的高分子链的键长、键角变化引起

6、的形变，形变量较小，服从虎克定律，当外力除去时，普弹形变立刻完全回复，见图7-5。10图7-5普弹形变示意图-0Ei(2)高弹形变(2)聚合物受力时，高分子链通过链段运动逐渐伸展产生的形变，形变量比普弹形变大得多，但不是瞬间完成，形变与时间相关。当外力除去后，高弹形变逐渐回复，见图7-6。tlt2t图7-6高弹形变示意图(3)粘性流动(；3)受力时分子间无交联的线形聚合物，则会产生分子间的相对滑移，它与时间成线性关系，外力除去后，粘性形变不能恢复，是不可逆形变，见图7-7。10ttt图7-7粘性形变示意图当聚合物受力时，以上三种形变同时发生，见图7-8。tlt2图7-8线性

7、聚合物的蠕变曲线加力瞬间，键长、键角立即产生形变，形变直线上升；通过链段运动，构象变化，使形变增大；分子链之间发生质心位移。（4）外力作用时间问题作用时间短（t小），仅有理想弹性变形；i,形变很小，第二、三项趋于零10~►E飞E活随作用时间延长（t增大），除；1外，主要是弹性形变；2；当t:C>,第二项>C0/E2,最后是纯粹的粘流形变；3（匚0t/）。t蠕变回复：见图7-9,撤力一瞬间，键长、键角等次级运动立即回复（a瞬时恢复），形变直线下降，通过构象变化，使熵变造成的形变回复（高弹形变a逐渐恢复）；分子链间质心