第六章橡胶弹性课件.ppt
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- 第六 橡胶 弹性 课件
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1、第六章第六章 橡胶弹性橡胶弹性 Rubber elasticityRubber is also called elastomer 弹性体弹性体. It is defined as a cross-linked amorphous polymer above its glass transition temperature.施加外力时发生大的形变,外力除去后可施加外力时发生大的形变,外力除去后可以恢复的弹性材料以恢复的弹性材料.n美国材料与试验协会标准(美国材料与试验协会标准(ASTM):): American Society for Testing and Materialsn橡胶的定义:橡胶
2、的定义: 20-27下,下,1min可拉伸可拉伸2倍的试样,当外力除去后倍的试样,当外力除去后1min内至少回缩内至少回缩到原长的到原长的1.5倍以下者或者在使用条件下,倍以下者或者在使用条件下,具有具有106-107Pa的杨氏模量者称为橡胶。的杨氏模量者称为橡胶。Rubber Products具有橡胶弹性的条件:具有橡胶弹性的条件:使其卷曲分子在外力作用下通过链段使其卷曲分子在外力作用下通过链段运动改变构象而舒展开来,除去外力运动改变构象而舒展开来,除去外力又恢复到卷曲状态又恢复到卷曲状态可以阻止分子链间质心发生位移的可以阻止分子链间质心发生位移的粘性流动,使其充分显示高弹性粘性流动,使其充
3、分显示高弹性Molecular movements具有橡胶弹性的条件:具有橡胶弹性的条件:形变量大形变量大(WHY?长链长链,柔性柔性) 弹性形变量可高达弹性形变量可高达1000弹性模量小弹性模量小,高弹模量约高弹模量约105N/m2 一般聚合物一般聚合物109N/m2,金属金属1010-11 N/m2弹性模量随温度升高而增大弹性模量随温度升高而增大 晶体材料的弹性模量随温度升高而减小。晶体材料的弹性模量随温度升高而减小。形变有热效应形变有热效应快速拉伸放热,形变回复吸热快速拉伸放热,形变回复吸热 金属材料与此相反。金属材料与此相反。n晶体材料的弹性模量随着温度的升高而减小。晶体材料的弹性模量
4、随着温度的升高而减小。温度的升高导致原子间距由于热膨胀而增大,温度的升高导致原子间距由于热膨胀而增大,由于原子间距增大,所以模量下降。由于原子间距增大,所以模量下降。 n高弹模量高弹模量就是由于高分子链力图保持卷曲就是由于高分子链力图保持卷曲的分子构象而产生的反抗拉伸形变的回缩的分子构象而产生的反抗拉伸形变的回缩张力的宏观表现。张力的宏观表现。n当温度升高时当温度升高时,高分子链段的热运动加剧高分子链段的热运动加剧,高高分子链趋于卷曲分子构象的倾向增大分子链趋于卷曲分子构象的倾向增大,回缩回缩张力增大张力增大,表现为表现为高弹模量随温度的升高而高弹模量随温度的升高而增大增大 。 对于橡胶,弹性
5、响应主要由熵控制对于橡胶,弹性响应主要由熵控制 思考题思考题n1.不受外力作用时,橡皮筋受热是伸长还是缩短不受外力作用时,橡皮筋受热是伸长还是缩短?n伸长。伸长。n是由于正常的热膨胀现象,本质是分子的热运动。是由于正常的热膨胀现象,本质是分子的热运动。 2. 在恒定外力下,橡皮筋加热时是膨胀还是收缩?在恒定外力下,橡皮筋加热时是膨胀还是收缩?为什么?为什么? 由于高分子链的特点,橡皮筋将收缩。由于高分子链的特点,橡皮筋将收缩。熵弹性熵弹性 n橡胶在张力(拉力)的作用下产生形变,主要橡胶在张力(拉力)的作用下产生形变,主要是熵变化,即蜷曲的大分子链在张力的作用下是熵变化,即蜷曲的大分子链在张力的
6、作用下变得伸展,构象数减少。熵减少是不稳定的状变得伸展,构象数减少。熵减少是不稳定的状态,当加热时,有利于单键的内旋转,使之因态,当加热时,有利于单键的内旋转,使之因构象数增加而卷曲,所以在保持外界条件不变构象数增加而卷曲,所以在保持外界条件不变时,升温会发生回缩现象。时,升温会发生回缩现象。 橡胶兼有固、液、气三种物质的性质橡胶兼有固、液、气三种物质的性质n固体:固体:小形变,外观、尺寸一定,虎克定律(应力小形变,外观、尺寸一定,虎克定律(应力应变关系)应变关系)n液体:液体:热力学参数与液体一致。膨胀系数,等温压热力学参数与液体一致。膨胀系数,等温压缩系数与液体有相同数量级,泊松比缩系数与
7、液体有相同数量级,泊松比 0.5n气体:气体:弹性模量,随温度的上升而增加(气体的压弹性模量,随温度的上升而增加(气体的压强随温度升高而增加。)强随温度升高而增加。) 与木材、金属相反(低温下模量大)与木材、金属相反(低温下模量大) 聚合物的力学性能指的是其受力后的响应聚合物的力学性能指的是其受力后的响应,如形变大小、形变的可逆性及抗破损性能等,如形变大小、形变的可逆性及抗破损性能等,这些响应可用一些基本的指标来表征。这些响应可用一些基本的指标来表征。描述力学性质的基本物理量描述力学性质的基本物理量(1)应变)应变strain与应力与应力stress n 材料在外力作用下,其几何形状和尺寸所发
8、材料在外力作用下,其几何形状和尺寸所发生的变化称生的变化称应变或形变应变或形变,通常以单位长度(面,通常以单位长度(面积、体积)所发生的变化来表征。积、体积)所发生的变化来表征。 材料在外力作用下发生形变的同时,在其材料在外力作用下发生形变的同时,在其内部还会产生对抗外力的附加内力,以使材料内部还会产生对抗外力的附加内力,以使材料保持原状,当外力消除后,内力就会使材料回保持原状,当外力消除后,内力就会使材料回复原状并自行逐步消除。当外力与内力达到平复原状并自行逐步消除。当外力与内力达到平衡时,内力与外力大小相等,方向相反。衡时,内力与外力大小相等,方向相反。单位单位面积上的内力定义为面积上的内
9、力定义为应力应力。 Stress - the amount of force exerted on an object, divided by the cross-sectional area of the object. The cross-sectional area is the area of a cross-section of the object, in a plane perpendicular to the direction of the force. Stress is usually expressed in units of force divided by area
10、, such as N/m2. Strain - the amount of deformation a sample undergoes when one puts it under stress. Strain can be elongation, bending, compression, or any other type of deformation. n模量:指材料抵抗外力发生形变的能力模量:指材料抵抗外力发生形变的能力大小的物理量。大小的物理量。n柔量柔量:在外力作用下能够发生形变的能在外力作用下能够发生形变的能力大小的物理量。力大小的物理量。Modulus - the abil
11、ity of a sample of a material to resist deformation. (2 2)模量)模量modulus,modulus,柔量柔量compliancecompliance 简单剪切简单剪切shear本体压缩本体压缩compression基基本本的的形形变变形状改变而形状改变而体积不变体积不变体积改变而体积改变而形状不变形状不变简单拉伸简单拉伸tensilen材料受力方式不同,发生形变的方式亦不同,材料受力方式不同,发生形变的方式亦不同,材料受力方式主要有以下三种基本类型:材料受力方式主要有以下三种基本类型:(i i)简单拉伸()简单拉伸(simple elo
12、ngation,simple elongation,drawing,drawing,tensiletensile) ): 材料受到一对材料受到一对垂直于材料截面垂直于材料截面、大小相等大小相等、方方向相反向相反并在并在同一直线同一直线上的外力作用。上的外力作用。拉伸应力拉伸应力 = F / A0 (A0为材料的起始截面积)为材料的起始截面积)拉伸应变(相对伸长率)拉伸应变(相对伸长率)e e = (l - l0)/l0 = D Dl / l0简单拉伸示意图简单拉伸示意图A0l0lD D lAFF 材料在拉伸作用下产生的形变称为材料在拉伸作用下产生的形变称为拉伸应变拉伸应变,也称也称相对伸长率(
13、相对伸长率(e e)。受一对大小相等,方向相反,受一对大小相等,方向相反,作用在一条直线上的力。作用在一条直线上的力。000llllleDl0l = l0 + D Dl张应变张应变张应力张应力0FA真应力真应力FA真应变真应变00lnlldllllFFEngineering stress 工程应力工程应力True stress00FAElleDeD拉伸柔量拉伸柔量(ii)简单剪切)简单剪切(shearing) 材料受到与截面平行、大小相等、方向相反,材料受到与截面平行、大小相等、方向相反,但不在一条直线上的两个外力作用,使材料发生偏但不在一条直线上的两个外力作用,使材料发生偏斜。其偏斜角的正切
14、值定义为斜。其偏斜角的正切值定义为剪切应变(剪切应变( )。)。A0FF 简单剪切示意图简单剪切示意图NoImageNoImage剪切位移剪切位移 S, 剪切角剪切角 , 剪切面间距剪切面间距 d Shearing stress 简单剪切实验能把高聚物宏观力学性能与它们内部简单剪切实验能把高聚物宏观力学性能与它们内部分子运动相联系,建立高聚物力学行为的分子理论。分子运动相联系,建立高聚物力学行为的分子理论。剪切模量剪切模量(刚性模量)(刚性模量) :G = / 剪切柔量:剪切柔量:J/ 剪切应变剪切应变 =S/d= tg 剪切应力剪切应力 = F / A0(iii)均匀压缩)均匀压缩(pres
15、surizing,compress) 材料受到均匀压力压缩时发生的体积形变称材料受到均匀压力压缩时发生的体积形变称压缩压缩应变应变()。)。材料经压缩以后,体积由材料经压缩以后,体积由V0缩小为缩小为V,则,则压缩应变压缩应变: = (V0 - V)/ V0 = D DV / V0体积模量(本体模量)体积模量(本体模量):B B = = p p / / NoImagePossion ratio 泊松比泊松比 E=2G(1+)=3B(1-2) eerllmmDD00泊松比数值泊松比数值 解释解释 0.5 不可压缩或拉伸中无体积变化不可压缩或拉伸中无体积变化 0.0 没有横向收缩没有横向收缩 0.
16、490.499 橡胶的典型数值橡胶的典型数值 0.200.40 塑料的典型数值塑料的典型数值 NoImageOnly two independent variables只要知道两个参数就可以描述各向同性材料的只要知道两个参数就可以描述各向同性材料的弹性力学行为。弹性力学行为。各向异各向异性材料性材料单轴取向单轴取向双轴取向双轴取向5个参数个参数9个参数个参数l Original length f tensile force dl extended length NoImageNoImageP所处大气压所处大气压 dV体积变化体积变化热力学体系:橡胶热力学体系:橡胶 环境:环境:T,P,f(外力
17、)(外力) f作用下,发生作用下,发生dl变化变化dU=dQ-dWdU 体系内能体系内能Internal energy变化变化dQ 体系吸收的热量体系吸收的热量dW 体系对外所做功体系对外所做功PdV膨胀功膨胀功Fdl拉伸功拉伸功dW =PdV-fdl假设过程可逆假设过程可逆dQ=TdS热力学第二定律热力学第二定律 dU =TdS-PdV+fdl讨论:(讨论:(1)等温等压拉伸)等温等压拉伸(T, P不变不变)Gibbs自由能自由能 G=H-TSU+PV-TS 全微分全微分 dG=dU+PdV+VdP-TdS-SdT= fdl+VdP-SdTVPGlT,G(P,T,l)STGlP,flGTP,
18、等温等压下,等温等压下,dT=0,dP=0 dG=fdl lPPTTfTlHf,PTPTlSTlHf,即即等温等压时,等温等压时, G=H-TSlPlPPTTfTGllS,拉伸长度对熵的变化拉伸长度对熵的变化 = 维持力所需温度变化维持力所需温度变化即在一定即在一定l与压力与压力P的条件下,力的条件下,力f 随温度随温度T的变化反映了熵随的变化反映了熵随l 的变化的变化 (2)等温等容条件下)等温等容条件下(P, l 不变不变)fdl = dU TdS对l求偏导dU =TdS-PdV+fdl内能的贡献熵的贡献VlVTVTVTTfTlUlSTlUf,等容等容分子间距离不变分子间距离不变分子间作用
19、力不变,分子间作用力不变, 只需考虑由于分子构象改变而引起的内能和熵的变化只需考虑由于分子构象改变而引起的内能和熵的变化 NoImage36132238Tf固定伸长在恒压条件下,固定样品长度,以在恒压条件下,固定样品长度,以f对对T作图作图截距截距斜率斜率VTlU,VTlS,T,Vl,VUff =+TlT 热弹转变热弹转变n在形变极小时,也会出现应力随温度升高而减在形变极小时,也会出现应力随温度升高而减小的现象,称为小的现象,称为热弹转变。热弹转变。n原因:随温度升高,试样的长度增加,使维持原因:随温度升高,试样的长度增加,使维持相同长度所需的应力减小,在形变较小时,由相同长度所需的应力减小,
20、在形变较小时,由热膨胀引起的拉力减小超过了此伸长所需的拉热膨胀引起的拉力减小超过了此伸长所需的拉力增加,宏观表现拉力随温度升高而下降。力增加,宏观表现拉力随温度升高而下降。NoImage结果:各直线外推到结果:各直线外推到T=0K时,时,几乎都通过坐标的原点几乎都通过坐标的原点Tf改用改用固定伸长比固定伸长比,直线不再出现负斜率,直线不再出现负斜率VlVTVTVTTfTlUlSTlUf,0T VUl外力作用引起熵变外力作用引起熵变,T VT VT VUSSfTTlll 橡胶弹性是熵弹性橡胶弹性是熵弹性回弹动力是熵增回弹动力是熵增NoImage高弹性的本质:高弹性的本质:橡皮拉伸时,内能几乎不变
21、,主要引橡皮拉伸时,内能几乎不变,主要引起熵的变化。起熵的变化。在外力作用下,橡皮分子链由原来蜷曲在外力作用下,橡皮分子链由原来蜷曲状态变为伸展状态,熵值由大变小,终态不稳定,当状态变为伸展状态,熵值由大变小,终态不稳定,当外力除去后,由于热运动,分子链自发地趋向熵增大外力除去后,由于热运动,分子链自发地趋向熵增大的状态,分子链由伸展再回复卷曲状态,就会自发的的状态,分子链由伸展再回复卷曲状态,就会自发的回复到初态。因而形变可逆。回复到初态。因而形变可逆。 高弹性的本质是熵弹性。高弹性的本质是熵弹性。拉伸拉伸 dl0, dS0 dQ0 拉伸放热拉伸放热回缩回缩 dl0 dQ0 回缩吸热回缩吸热
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