高分子材料第08讲-形变类型与橡胶弹性热力学.ppt

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1、第三章第五节橡胶弹性RubberElasticity3.1受力方式与形变类型简单剪切Shear本体压缩（或本体膨胀）基本的形变形状改变而体积不变体积改变而形状不变拉伸Tensile单轴拉伸Uniaxialelongation双轴拉伸biaxialelongation等轴非等轴简单拉伸应力和应变当材料受到外力作用而所处的条件却使其不能产生惯性位移，材料的几何形状和尺寸将发生变化，这种变化就称为应变(strain)。平衡时，附加内力和外力相等，单位面积上的附加内力（外力）称为应力(stress)。(1)简单拉伸l0l=l0+DlA0

2、A应变应力真应力真应变FFFFF(2)简单剪切FqdSA0A0切应变切应力剪切位移剪切角(3)均匀压缩V0PV0-DV均匀压缩应变弹性模量Modulus弹性模量是表征材料抵抗变形能力的大小,其值的大小等于发生单位应变时的应力简单拉伸简单剪切均匀压缩拉伸模量,或杨氏模量剪切模量体积模量三种弹性模量间的关系各向同性材料:Poisson’sratio泊松比泊松比:在拉伸实验中，材料横向应变与纵向应变之比值的负数常见材料的泊松比泊松比数值解释0.5不可压缩或拉伸中无体积变化0.0没有横向收缩0.49~0.499橡胶的典型数值0.20~

3、0.40塑料的典型数值E,G,BandOnlytwoindependentvariables6.2橡胶弹性的热力学分析Thermodynamicalanalysisofrubberelasticityl0l=l0+dlffl0–Originallengthf–tensileforcedl–extendedlengthP—所处大气压dV—体积变化热力学第一定律FirstlawofthermodynamicsdU=δQ-δWdU–体系内能Internalenergy变化δQ–体系吸收的热量δW–体系对外所做功PdVfdlδW=Pd

4、V-fdl假设过程可逆δQ=TdS热力学第二定律膨胀功拉伸功ff橡胶在等温拉伸中体积不变，即dV=0dU=TdS+fdl对l求偏导dU=TdS-PdV+fdl内能变化熵变化难以测量,要变换成实验中可以测量的物理量AccordingtoGibbsfunction——吉布斯函数G=H-TSJosiahWillardGibbs(1839~1903)H=U+PVH、T、S分别为系统的焓Enthalpy、热力学温度Temperature和熵Entropy焓是一种热力学函数，对任何系统来说，焓的定义为：U为系统的内能；P为系统的压力，V为

5、系统的体积Makingderivation求导数dG=dU+PdV+VdP-TdS-SdTdG=VdP-SdT+fdlG=U+PV-TSdU=TdS-PdV+fdl(1)恒温恒压，i.e.T,P不变，dT=dP=0(2)恒压恒长，i.e.P,l不变,dP=dl=0dG=VdP-SdT+fdlThereforeDiscussion——橡胶的热力学方程将橡皮在等温下拉伸一定长度l,然后测定不同温度下的张力f,由张力f对绝对温度T做图,在形变不太大的时候得到一条直线.(dV=0)f-TCurve结果：各直线外推到T=0K时，几乎都通过

6、坐标的原点fT/K直线的斜率为:直线的截距为:外力作用引起熵变橡胶弹性是熵弹性回弹动力是熵增橡胶拉伸过程中的热量变化fdl=-TdS拉伸放热回缩dl<0,dS>0,δQ>0dU=0dV=0dU=TdS-PdV+fdlδQ=TdS回缩吸热拉伸dl>0,dS<0,δQ<0=0热力学分析小结橡胶弹性是熵弹性,回弹动力是熵增.橡胶在拉伸过程中放出热量,回缩时吸收热量.橡胶的热力学方程Whatisrubber?Naturerubber-PIPSynthesizerubberRubberisalsocalledelastomer(弹性体).

7、Itisdefinedasacross-linkedamorphouspolymeraboveitsglasstransitiontemperature.PolybutadienePolyisobutylenePolychloropreneRubberProductsThedefinitionofrubber施加外力时发生大的形变，外力除去后可以回复的弹性材料高分子材料力学性能的最大特点高弹性粘弹性高弹性的本质橡胶弹性是由熵变引起的，在外力作用下，橡胶分子链由卷曲状态变为伸展状态，熵减小，当外力移去后，由于热运动，分子链自发地趋

8、向熵增大的状态，分子链由伸展再回复卷曲状态，因而形变可逆。气体弹性的本质也是熵弹性。CrosslinkingMolecularmovements具有橡胶弹性的条件：长链交联足够柔性橡胶高弹性的特点形变量大(Why?)长链,柔性形变可恢复(Why?)动力:熵增；结