高分子物理第六章-橡胶弹性ppt课件

高高 分分 子子 物物 理理第第六六章章 橡胶弹性橡胶弹性Rubber Elasticity高 分 子 物 理第六章 橡胶弹性1变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分第第六六章章 橡胶弹性橡胶弹性Td TfTg第第七七章章 聚聚合合物物的的粘弹性粘弹性第第九九章章 聚聚合合物物的流变性的流变性第第八八章章 聚聚合合物物的屈服与断裂的屈服与断裂第六章 橡胶弹性Td TfTg第七章 聚合物的粘弹性第九章 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分橡胶的概念橡胶的概念橡胶的概念变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分橡胶的特点橡胶的特点橡胶的特点变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分具有橡胶弹性的条件：具有橡胶弹性的条件：长链长链 交联交联足够柔性足够柔性分子运动分子运动具有橡胶弹性的条件：长链 交联足够柔性分子运动变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分高弹性的本质高弹性的本质 橡橡胶胶弹弹性性是是由由熵熵变变引引起起的的，在在外外力力作作用用下下，橡橡胶胶分分子子链链由由卷卷曲曲状状态态变变为为伸伸展展状状态态，熵熵减减小小，当当外外力力移移去去后后，由由于于热热运运动动，分分子子链链自自发发地地趋趋向向熵熵增增大大的的状状态态，分分子子链链由由伸伸展展再再回回复复卷卷曲曲状状态态，因而形变可逆。因而形变可逆。气体弹性弹性的本质也是熵弹性。气体弹性弹性的本质也是熵弹性。高弹性的本质 橡胶弹性是由熵变引起的，在外力作第七章第七章第七章第七章 聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分 附附加加内内力力：材材料料发发生生宏宏观观的的变变形形时时，其其内内部部分分子子间间及及分分子子内内各各原原子子间间的的相相对对位位置置和和距距离离发发生生变变化化使使原来的引力平衡被破坏原来的引力平衡被破坏，因而产生恢复平衡的力。，因而产生恢复平衡的力。当当材材料料受受到到外外力力作作用用，几几何何形形状状和和尺尺寸寸发发生生变变化化，这种变化叫这种变化叫应变。应变。应力：应力：材料材料单位面积上的附加内力单位面积上的附加内力叫应力。叫应力。6.1 形变类型及描述力学行为的基本物理量形变类型及描述力学行为的基本物理量 附加内力：材料发生宏观的变形时，其内部分子间及分子内各原子第七章第七章第七章第七章 聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分拉伸拉伸 Tensile剪切剪切 Shear压缩压缩 Compression三种基本类型三种基本类型6.1 形变类型及描述力学行为的基本物理量形变类型及描述力学行为的基本物理量拉伸 Tensile剪切 Shear压缩 Compres第七章第七章第七章第七章 聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分简单拉伸简单拉伸 Tensilel0FFl=l0+D DlA0FFA应变应变 应力应力真应变真应变真应力真应力简单拉伸 Tensilel0FFl=l0+DlA0F第七章第七章第七章第七章 聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分简单剪切简单剪切 ShearFFA0q qdSA0剪切角剪切角剪切位移剪切位移切应变切应变切应力切应力简单剪切 ShearFFA0qdSA0剪切角剪切位移切应变切第七章第七章第七章第七章 聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分V0PV0-D DV均匀压缩应变均匀压缩应变体积模量体积模量压缩压缩 CompressionV0PV0-DV均匀压缩应变体积模量压缩 Compre第七章第七章第七章第七章 聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分 :Poissons ratio 泊松比泊松比泊松比泊松比:在拉伸实验中，材料在拉伸实验中，材料横横向应变与纵向应变之比值的负数向应变与纵向应变之比值的负数泊松比泊松比 Poissons ratio:Poissons ratio 泊松比泊松比:在拉第七章第七章第七章第七章 聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分u 4个参数中只有个参数中只有2个是独立的个是独立的三种弹性模量之间的关系：三种弹性模量之间的关系：三种弹性模量之间的关系：三种弹性模量之间的关系：各向同性材料各向同性材料弹弹性性模模量量是是表表征征材材料料抵抵抗抗变变形形能能力力的的大大小小,其其值值的的大大小等于发生单位应变时的应力小等于发生单位应变时的应力 4个参数中只有2个是独立的三种弹性模量之间的关系：各向同性变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分橡胶橡胶高弹性特点高弹性特点形变量大（形变量大（WHYWHY？长链长链,柔性柔性）形形变变可可恢恢复复（WHYWHY？动动力力:熵熵增增；结结构：交联构：交联）弹性模量小且随温度升高而增大弹性模量小且随温度升高而增大形变有热效应形变有热效应（后两点可以通过热力学分析找到答案）（后两点可以通过热力学分析找到答案）橡胶高弹性特点形变量大（WHY？长链,柔性）变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分6.2 橡胶弹性的热力学方程橡胶弹性的热力学方程6.2 橡胶弹性的热力学方程变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分结论是否正确呢结论是否正确呢?靠实验来验证靠实验来验证.后部分不能直接测定后部分不能直接测定需作一变换需作一变换.普弹性普弹性高弹性高弹性6.2 橡胶弹性的热力学方程橡胶弹性的热力学方程结论是否正确呢?靠实验来验证.后部分不能直接测定需作一变换变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分6.2 橡胶弹性的热力学方程橡胶弹性的热力学方程6.2 橡胶弹性的热力学方程变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分6.2 橡胶弹性的热力学方程橡胶弹性的热力学方程6.2 橡胶弹性的热力学方程变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分橡胶热力学橡胶热力学状态方程状态方程该式的物理意义该式的物理意义:当当l和和V保持不变时保持不变时,外力外力(张应力张应力)随着温随着温度的变化。度的变化。如将橡胶试片等温拉伸到某一定长度如将橡胶试片等温拉伸到某一定长度,测定不同温度下的测定不同温度下的张力张力,那么以张力对那么以张力对T作图作图,在形变不太大在形变不太大的时得到不同拉的时得到不同拉伸比的直线伸比的直线.直线的斜率为直线的斜率为解释现象解释现象6.2 橡胶弹性的热力学方程橡胶弹性的热力学方程橡胶热力学该式的物理意义:当l和V保持不变时,外力(张应力)变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分结结果果：各各直直线线外外推推到到T=0 K时时，几乎都通过坐标的原点几乎都通过坐标的原点在在T和和V不变的情况下不变的情况下,伸长或回缩不伸长或回缩不会引起内能的变化会引起内能的变化,只会引起熵值的改只会引起熵值的改变变.6.2 橡胶弹性的热力学方程橡胶弹性的热力学方程结果：各直线外推到T=0 K时，几乎都通过坐标的原点在T和V变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分这就是说在外力作用下，橡胶的分子链由原来的蜷曲状态这就是说在外力作用下，橡胶的分子链由原来的蜷曲状态（S1）变为伸展状态（）变为伸展状态（S2），熵值由大变小），熵值由大变小 S S2 S1 0，dQ 0 体系是放热体系是放热当压缩时当压缩时dl 0，f 0，dQ 0 放热放热 过程进行的快过程进行的快,体系来不及与外界进行热交换体系来不及与外界进行热交换,拉拉伸功使橡胶升温伸功使橡胶升温.（4）E 小：形变大，应力小，因熵的变化是通过构小：形变大，应力小，因熵的变化是通过构象的重排实现的，克服的是次价力。象的重排实现的，克服的是次价力。6.2 橡胶弹性的热力学方程橡胶弹性的热力学方程（3）在拉伸的过程中，内能不变，在 V 不变下 过程进行变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分热力学分析小结热力学分析小结橡胶的热橡胶的热力学方程力学方程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.橡胶在拉伸过程中放出热量橡胶在拉伸过程中放出热量,回缩时吸收热量回缩时吸收热量.热力学分析小结橡胶的热力学方程橡胶弹性是熵弹性,回弹动力是变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分在橡胶下悬一砝码，保持外界不变，升温时会在橡胶下悬一砝码，保持外界不变，升温时会发生什么现象？发生什么现象？解解：橡橡胶胶在在张张力力（拉拉力力）的的作作用用下下产产生生形形变变，主主要要是是熵熵变变化化，即即蜷蜷曲曲的的大大分分子子链链在在张张力力的的作作用用下下变变得得伸伸展展，构构象象数数减减少少。熵熵减减少少是是不不稳稳定定的的状状态态，当当加加热热时时，有有利利于于单单键键的的内内旋旋转转，使使之之因因构构象象数数增增加加而而卷卷曲曲，所所以以在在保保持持外外界界不不变变时，升温会发生回缩现象。时，升温会发生回缩现象。例例 题题 在橡胶下悬一砝码，保持外界不变，升温时会发生什么现象？解：橡变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分不受外力作用，橡皮筋受热伸长；在恒定外力作用不受外力作用，橡皮筋受热伸长；在恒定外力作用下，受热收缩，试用高弹性热力学理论解释下，受热收缩，试用高弹性热力学理论解释 解：（解：（1）不受外力作用，橡皮筋受热伸长是由于正常的）不受外力作用，橡皮筋受热伸长是由于正常的热膨胀现象，本质是分子的热运动。热膨胀现象，本质是分子的热运动。（2）恒定外力下，受热收缩。分子链被伸长后倾向于）恒定外力下，受热收缩。分子链被伸长后倾向于收缩卷曲，加热有利于分子运动，从而利于收缩。其弹性收缩卷曲，加热有利于分子运动，从而利于收缩。其弹性主要是由熵变引起的，主要是由熵变引起的，中，中，f定值，所以，定值，所以，即收缩，而且随即收缩，而且随T增加，收缩增加。增加，收缩增加。例例 题题 不受外力作用，橡皮筋受热伸长；在恒定外力作用下，受热收缩，试变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分6.3 橡胶弹性的统计理论橡胶弹性的统计理论目目的的：利利用用高高分分子子链链的的构构象象统统计计理理论论，通通过过微微观观的的结结构构参参数数求求得得高高分分子子链链熵熵的的定定量量表表达达式式，进进而而再再从从交交联联网网形形变变前前后后的的熵熵变变导出导出宏观应力与应变的关系。宏观应力与应变的关系。为什么需要统计理论？为什么需要统计理论？6.3 橡胶弹性的统计理论目的：利用高分子链的构象统计理论变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分6.3.1 状态方程状态方程假设假设内能变化为内能变化为0，求熵变是多少即可，求熵变是多少即可6.3.1 状态方程假设内能变化为0，求熵变是多少即可变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分一、孤立柔性链的熵 一端固定在原点，另一端落在点（x，y，z)处的小体 积元(dx，dy，dz)的几率服 从高斯分布。根据假设按等效自由结合链处理:高斯分布密度函数：ne：链段数 le：链段长度:等效自由结合 链均方末端距一、孤立柔性链的熵 一端固定在原点，根据假设按等效28变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分根据波尔兹曼定律：体系熵值与微观状态数的关系为：构象数波尔兹曼常数孤立链的构象熵将W(x y z)代入根据波尔兹曼定律：体系熵值与微观状态数的关系为：构象数波尔29变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分假假设设4 交交联联网网络络中中的的各各交交联联点点被被固固定定在在它它们们的的平平衡衡位位置置，当当橡橡胶胶试试件件受受力力变变形形时时，这这些些交交联联点点以以相相同同的的比比率率变变形形，即即所所谓的谓的“仿射仿射”变形。变形。假设4 交联网络中的各交联点被固定在它们的平衡位置，当橡胶变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分二、交联网络的熵变根据仿射形变的假设：单位体积的试样拉伸前（x,y,z）为（1，1，1）拉伸后长度变为1 2 3 f网链的末端距的变化：第i个网链的一端固定在原点上，另一端形变前在点 处，形变后在点 处。二、交联网络的熵变根据仿射形变的假设：拉伸后长度变为1 31变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分第i个网链形变前熵 形变后熵第i个网链形变的熵变为：N个网链的熵变为：第i个网链形变前熵第i个网链形变的熵变为：32变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分由于交联网络的各向同性：N个网链的熵变为：交联网络的构象熵由于交联网络的各向同性：N个网链的熵变为：交联网络的构象熵33变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分三、交联网络的状态方程1、状态方程F=U-TSU=0所以：三、交联网络的状态方程1、状态方程F=U-TS34变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分根据赫姆霍尔兹自由能定义：恒温过程中，外力对体系作 的功等于体系自由能的增加。即：对于单轴拉伸，体积不变V=0入1=入 入1入2入3=1入2=入3 入2=入3=1/入入1入2入3ff根据赫姆霍尔兹自由能定义：恒温过程中，外力对体系作 35变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分在前节的热力学方程的推导中对L求偏导：因为：所以：在前节的热力学方程的推导中对L求偏导：因为：所以：36变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分应力：（单位体积网链数）交联橡胶的状态方程形式之一但单位体积的网链数不易得知，状态方程可作以下变化：应力：（单位体积网链数）交联橡胶的状态方程形式之37变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分 设网链的分子量为 试样密度为：单位体积的网链数：阿佛加德罗常数气体常数波尔兹曼常数交联橡胶的状态方程形式之二交联橡胶的状态方程形式之一 设网链的分子量为阿佛加德罗常数气体常数波尔兹曼常数交联橡胶38变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分状态方程中形变用的是拉伸比，要将换算成 状态方程（非常小时）非常小时）即应变很小时交联橡胶的应力应变关系符合虎克定律状态方程中形变用的是拉伸比，要将换算成 状态方程（39变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2、理论与实验的偏差 为了检验上述理论推导，可将理论上导出的应力拉伸比的关系曲线与实验曲线加以比较：由下图可看出：1.5拉伸较小时理论与实验曲线重合 6时，产生偏差，但偏差不大，实验值小 6时，偏差很大实验理论1.562、理论与实验的偏差 为了检验上述理论推导，可将理论上40变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分6.6 热塑性弹性体热塑性弹性体热热塑塑性性弹弹性性体体（thermoplastic elastomer，TPE）是是一一种种兼兼有有塑塑料料和和橡橡胶胶特特性性，在在常常温温下下显显示示高高弹弹性性，高高温温下下又又能能塑塑化化成成型型的的高高分分子子材材料料，又又称称为为第第三三代代橡橡胶胶，由由于于TPE既既具具有有传传统统橡橡胶的性质，又不需要硫化，在制品加工过程中，可以重复使用。胶的性质，又不需要硫化，在制品加工过程中，可以重复使用。热塑性？热塑性？热固性？热固性？6.6 热塑性弹性体热塑性弹性体（thermoplastic变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分6.6 热塑性弹性体热塑性弹性体要满足弹性体的要求，要满足弹性体的要求，长链，柔性和长链，柔性和交联交联如何才能达到达到热塑性的弹如何才能达到达到热塑性的弹性体？性体？6.6 热塑性弹性体要满足弹性体的要求，长链，柔性和交联如何变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分6.6 热塑性弹性体热塑性弹性体6.6 热塑性弹性体变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分SBS Styrene-Butadiene-StyreneHardSoftSBS Styrene-Butadiene-Styrene变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分共混型共混型EPDM硫化乙丙橡胶硫化乙丙橡胶/PP聚丙烯聚丙烯粘度大粘度小共混型EPDM硫化乙丙橡胶/PP聚丙烯粘度大粘度小