高聚物的力學(xué)性質(zhì)

1、高聚物的力學(xué)性質(zhì)1第1頁，共17頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五225是聚苯乙烯的楊氏模量為4.9105磅/吋2，泊松比為0.35，問其切變量和體積模量是多少？（以帕斯卡表示）解：設(shè)伸長(zhǎng)了x寸。2第2頁，共17頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五3100磅的負(fù)荷施加于一試樣，這個(gè)試樣的有效尺寸是：長(zhǎng)4寸，寬1寸，厚0.1寸，如果材料的楊氏模量是3.51010達(dá)因/厘米2，問加負(fù)荷時(shí)試樣伸長(zhǎng)了多少厘米？解：設(shè)伸長(zhǎng)了x寸。3第3頁，共17頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五5. 試證明應(yīng)力應(yīng)變曲線下的面積比例于拉伸試樣所做的功。 解：應(yīng)力應(yīng)變曲線面積為：4第4頁，

2、共17頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五6. 拉伸某試樣，給出如下數(shù)據(jù)：作應(yīng)力應(yīng)變曲線圖，并計(jì)算楊氏模量，屈服應(yīng)力和屈服時(shí)的伸長(zhǎng)率。這個(gè)材料的抗張強(qiáng)度是多少？解： 從圖中得： 楊氏模量為35036.59磅/寸2， 屈服應(yīng)力為1701磅/寸， 屈服時(shí)伸長(zhǎng)率為0.06， 抗張強(qiáng)度為1380磅/寸2。1035102030405060708090100120150（磅/寸2）2505009501250147015651690166015001400138513801380(斷)5第5頁，共17頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五7. 試比較非晶態(tài)高聚物的強(qiáng)迫高彈性、結(jié)晶高聚物的冷

3、拉、硬彈性聚合物的拉伸行為和某些嵌段共聚物的應(yīng)變誘發(fā)塑料橡膠轉(zhuǎn)變，從結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)加以分析，并指出其異同點(diǎn)。解：非晶態(tài)高聚物在大外力作用下發(fā)生大形變，其本質(zhì)與橡膠的高彈形變一樣， 但表現(xiàn)形式有差別，是在大外力幫助下，凍結(jié)的鏈段開始運(yùn)動(dòng)。強(qiáng)迫高彈 性主要由高聚物結(jié)構(gòu)決定。必要條件是高聚物要有可運(yùn)動(dòng)的鏈段，通過鏈 段運(yùn)動(dòng)使鏈構(gòu)象改變表現(xiàn)出高彈形變，但又不同于普通高彈形變，要求分 子具有柔性鏈結(jié)構(gòu)，但不能太柔軟，Tb與Tg的間隔較大。結(jié)晶高聚物的拉 伸是在單向過程中分子排列產(chǎn)生很大的變化。在結(jié)晶高聚物中微晶也進(jìn)行 重排，甚至某些晶體可能破裂成較小的單位，然后再去向的情況下再結(jié)晶。 拉伸后的材料在熔點(diǎn)以下不

4、易恢復(fù)到原先未取向的狀態(tài)，然而只要加熱到 熔點(diǎn)附近，還是能會(huì)回縮到未拉伸狀態(tài)的。因而這種大形變本質(zhì)上也是高 彈性。6第6頁，共17頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五結(jié)晶與玻璃態(tài)高聚物的拉伸情況有許多相似之處。兩種拉伸過程都經(jīng)歷彈性變形、屈服、發(fā)展大形變以及應(yīng)變硬化等階段。拉伸的后階段材料都呈現(xiàn)強(qiáng)烈的各向異性，斷裂前的大形變都是高彈形變，統(tǒng)稱為冷拉。另一方面，兩種拉伸又有差別，可被冷拉的溫度范圍不同。本質(zhì)差別在于晶態(tài)高聚物的拉伸伴隨著比玻璃態(tài)高聚物復(fù)雜的多的分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的變化，后者只發(fā)生分子鏈的取向，不發(fā)生相變，而前者還包含結(jié)晶的破壞、取向和再結(jié)晶等過程。硬彈性材料片晶之間存在由系

5、帶分子構(gòu)成的聯(lián)結(jié)點(diǎn)，在受到張力時(shí)，內(nèi)部晶片將發(fā)生彎曲和剪切彈性形變，晶片間被拉開，形成網(wǎng)格狀的結(jié)構(gòu)，因而可以發(fā)生較大形變。而且形變愈大，應(yīng)力愈高。外力消失后，形變大部分可回復(fù)。應(yīng)變誘發(fā)塑料橡膠轉(zhuǎn)變是因?yàn)樵嚇釉趤單⒂^上具有無規(guī)取向的交替層狀結(jié)構(gòu)，其中塑料相和橡膠相都成連續(xù)相。拉伸時(shí)，當(dāng)塑料相完全被撕碎成分散在橡膠相中的微區(qū)時(shí)，橡膠相成為唯一的連續(xù)相使材料呈現(xiàn)高彈性使試樣在外力撤去后形變能回復(fù)。塑料分散相則起物理交聯(lián)作用阻止永久變形的發(fā)生。待塑料相的重建完成，交替層狀結(jié)構(gòu)又清晰可見，使材料重新表現(xiàn)出塑料性質(zhì)。7第7頁，共17頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五8試述橡膠彈性熱力學(xué)分析的根

6、據(jù)和所得結(jié)果的物理意義。解：橡膠彈性熱力學(xué)分析的根據(jù)是：橡膠被拉伸時(shí)發(fā)生的高彈形變，除去外 力后可恢復(fù)原狀，即變形是可逆的。 其物理意義在于：實(shí)際中高彈態(tài)的可逆過程：a,等溫恒容下，外力作 用在橡膠上，一方面使橡膠的內(nèi)能隨伸長(zhǎng)而變化，另一方面使橡膠的熵 隨著伸長(zhǎng)而變化，或者說橡膠的張力是由于變形時(shí)內(nèi)能發(fā)生變化和熵發(fā) 生變化引起的；b,在試樣的長(zhǎng)度和體積維持不變的情況下，試樣張力f 隨溫度T的變化與溫度、體積不變時(shí)，橡膠的熵隨著伸長(zhǎng)的變化值相等。 理想高彈體拉伸時(shí)，只引起熵變，或者說只有熵的變化對(duì)理想高彈體 的彈性有貢獻(xiàn)，即理想高彈體的本質(zhì)就是熵彈性。 8第8頁，共17頁，2022年，5月20日

7、，0點(diǎn)38分，星期五9交聯(lián)橡膠彈性的統(tǒng)計(jì)理論的根據(jù)是什么？它得出的交聯(lián)橡膠狀態(tài)方程告訴了我們什么？這個(gè)理論存在哪些缺陷？解：交聯(lián)橡膠彈性的統(tǒng)計(jì)理論的根據(jù)是：四條假設(shè)：每個(gè)交聯(lián)點(diǎn)由四個(gè)鏈 組成，交聯(lián)點(diǎn)是無規(guī)分布的；兩交聯(lián)點(diǎn)之間的鏈?zhǔn)歉咚规?，其末端距?合高斯分布；交聯(lián)網(wǎng)是各向同性的；形變時(shí)，交聯(lián)點(diǎn)按與橡膠試樣的宏 觀變形相同的比例移動(dòng)，即“仿射”變形。交聯(lián)網(wǎng)內(nèi)能=0。單軸 拉伸。 交聯(lián)橡膠狀態(tài)方程：交聯(lián)橡膠很小時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系符合虎克定律； 橡膠的彈性模量隨溫度的升高和網(wǎng)鏈密度的增大而增大，以對(duì) 作圖得到的是條直線。9第9頁，共17頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五這條理論存在的缺

8、陷：四條假設(shè)在作理論處理時(shí)，與實(shí)際情況存在明顯的出入；自由端的自由鏈對(duì)彈性并沒有貢獻(xiàn)；實(shí)際高彈體，分子鏈 內(nèi)旋轉(zhuǎn)引起的各種構(gòu)象的位能不等，不可避免地要引起內(nèi)能的變化，即并不為0。10第10頁，共17頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五10理想橡膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的起始斜率是2.0106帕斯卡，要把體積為4.0厘米3的這種橡膠試條緩慢可逆地拉伸到其原來長(zhǎng)度的兩倍，需要做多少焦耳功？解：滿足題意要求時(shí)需做功：11第11頁，共17頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五12一片密度為0.95克/厘米3的理想橡膠，如果它的初始分子量是105，而交聯(lián)后網(wǎng)鏈的分子量為5000，假設(shè)沒有其他

9、網(wǎng)絡(luò)缺陷，是估算它在室溫27時(shí)的剪切模量。解： 即該理想橡膠在已知條件下的剪切模量為4.27105P。12第12頁，共17頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五13一交聯(lián)橡膠試片，長(zhǎng)2.8厘米，寬1.0厘米，厚0.2厘米，重0.518克，于25時(shí)將它拉伸一倍，測(cè)定張力微1.0公斤，估算試樣的網(wǎng)鏈的平均分子量。解：13第13頁，共17頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五1427時(shí)，把一硫化橡膠試樣拉長(zhǎng)一倍，拉伸應(yīng)力為7.25105帕斯卡，試樣的泊松比近似為0.50，試估算：每立方厘米中的網(wǎng)鏈數(shù)目，初始剪切模量，初始拉伸模量，拉伸過程中每立方厘米橡膠放出的熱量解：試樣的泊松比近似為0.50 初始拉伸模量E=1.24106Pa 初始剪切模量：G=E/3=1/31.24106=4.13105Pa 每立方厘米的網(wǎng)鏈數(shù)目為 拉伸過程中每立方厘米橡膠放出的熱量：14第14頁，共17頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五15天然橡膠未硫化前的分子量為3.0104，硫化后網(wǎng)鏈平均分子量為6000，密度為0.90克/厘米3。如果要把長(zhǎng)度為10厘米，截面積為0.26厘米2的試樣，在25下拉長(zhǎng)到25厘米，問需要多大的力？解：由題意：15第15頁，共17頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五24WLF方程 ， 當(dāng)取Tg為參考溫度時(shí)，C117.44，C251