6橡胶弹性

6RubberElasticity橡胶弹性109876543IIIIIIIVIII区为一段平台，呈橡胶的模量、橡胶的力学状态，故称橡胶平台logG,PaTemperature橡胶的种类CH2CCHCH3nCH3天然橡胶合成橡胶GoodyearTireHeveaBrasiliensis橡胶树聚丁二烯聚异丁烯(不透气)氯丁橡胶(耐油)CHRISTOPHERCOLUMBUS哥伦布(1451-1506)海地的印地安人土著人用一种类似牛奶的白色乳液放在木制的模子中，用烟熏的方法，蒸发掉水份来固化制成球做游戏。MichelinTireDunlopTireHancockTireGOODYEARTIRETHEDEFINITIONOFRUBBER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称为橡胶中文定义Rubberisapolymerwhichexhibitsrubberelasticproperties,i.e.amaterialwhichcanbestretchedtoseveraltimesitsoriginallengthwithoutbreakingandwhich,onreleaseofthestress,immediatelyreturnstoitsoriginallength.英文定义美国材料协会标准(ASTM-AMERICANSOCIETYFORTESTINGANDMATERIALS)规定:20-70摄氏度下,1min可拉伸2倍的试样,当外力除去后1min内至少回缩到原长的1.5倍以下或者在使用条件下,具有106~107Pa的杨氏模量者称为橡胶。高弹性的本质高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。橡胶的分类：•天然橡胶：异戊二烯顺式1，4加成结构，Tg为-72℃，弹性良好；•异戊橡胶（合成天然橡胶）：•丁苯橡胶(SBR)：比天然胶有良好的耐磨性、耐透气性，弹性、耐寒性、耐撕裂性差，耐油性、和耐非极性溶剂差。•顺丁橡胶(BR)：丁二烯聚合产物。比天然橡胶弹性好，Tg为-105℃，耐磨性好，非极性橡胶柔性好，耐油、耐溶剂性差。•氯丁橡胶(CR)：氯丁二烯乳液聚合而得。物理力学性能良好，耐热、耐臭氧氧化，耐燃、耐油、粘合性良好，气密性良好，Tg为-40℃，绝缘性差；低温结晶，加工对温度敏感，贮存易变质。•丁腈橡胶(NBR)：非晶极性不饱和橡胶，耐油性好，耐热性优于天然和丁苯胶，耐磨性提高，气密性良好，耐化学腐蚀性优于天然胶，极性基团导致弹性、耐寒性、耐区挠性、抗撕裂性差，耐寒性比通用橡胶均差，电绝缘性最差，耐老化性差，加工性能差，成本高于氯丁胶。•丁基橡胶(IIR)：异丁烯和少量异戊二烯共聚合而得。结晶性非极性橡胶。气密性好，耐热性、耐候性、耐化学腐蚀性良好，电绝缘性良好，减震性良好，拉伸强度较高；硫化速度慢，加工型差，常温弹性低，耐油性差，卤化改性。•乙丙橡胶(EPM)：非晶饱和非极性橡胶。耐老化性、电绝缘性好于丁基橡胶，弹性和耐寒性接近于天然橡胶，耐油性差，硫化速度慢，自粘性和互粘性差。•硅橡胶、氟橡胶、聚氨酯、氯醚橡胶、聚硫橡胶、丙烯酸酯橡胶。构成橡胶弹性体的三个必要条件：(1)必须由长链聚合物构成(2)聚合物链必须具有高度柔性(3)聚合物链必须为交联网络-适度交联PBCROSS-LINKED橡胶态的聚合物是否满足作为橡胶的条件？？橡胶的条件：长链、柔性、适宜交联。橡胶态的聚合物：1）分子量高于某临界值——长链2）温度高于Tg链段可运动——柔性3）交联点何在？？缠结点缠结点受聚合物分子量和温度的限制！！！！缠结点？？？？？？1）缠结点如何通过限制分子链的滑移起到临时交联点的作用？2）缠结点为什么只能在一定的温度范围内限制分子链的滑移？4）不同结构的聚合物的橡胶态温度与时间范围有何不同？5）不同分子量的聚合物的橡胶态范围有何不同？6）临时橡胶的运动特征和“永久”橡胶有何不同？3）缠结点为什么只能在一定的时间范围内限制分子链的滑移？橡胶态的本质？？？？？？临时弹性体——橡胶态（高弹态）小分子物质三态：固态、液态和气态高分子物质？？态：固态、液态——内聚能无定形低聚物：玻璃态、粘流态——无高弹态无定形高聚物：玻璃态、橡胶态、粘流态橡胶（弹性体）的特点：尺寸稳定，小形变时，弹性响应符合胡克定律——类似固体；热膨胀系数和等温压缩系数与液体具有相同的数量级——其分子间作用力与液体相似；形变的应力随温度升高而增加——与气体的压强随温度升高而增加有类似性。气体液体固体一定外观形状，尺寸稳定，小形变时符合虎克定律橡胶的膨胀系数比一般固体大一个量级，等温压缩系数与液体类似，PossionRatio近似等于0.5形变的应力随温度升高而增加2）弹性模量仅102~5N/M2，金属却高达1010-11N/M23）弹性模量随温度升高而增加，金属却相反4）快速绝热拉伸温度升高，回缩时温度降低，而金属恰恰相反高弹性的主要特征——熵弹性的特点1）可逆形变可高达1000%，金属为1%弹性形变量大且是可逆的一般铜、钢等金属的形变只有原试样的1%，而橡胶的高弹形变高达1000%拉伸回缩弹性模量小且随温度升高而增大橡胶高弹模量约为105N/m2金属的弹性材料的模量可达1010~11N/m2E=/橡胶弹性模量随温度升高而增大金属模量随温度升高而降低金属橡胶伸长率(%)100200300400500600700800伸长热(KJ/Kg)2.14.27.511.114.618.222.227.2橡胶伸长率和伸长热的关系形变有热效应热效应原因橡胶伸长变形时，分子链段由混乱排列变成比较规律，此时熵减少；同时，由于分子间的内磨察力而产生热量；另外，由于分子规则排列而发生结晶，在结晶过程中也会放出热量。由于上述三种原因，使橡胶拉伸时放出热量。而金属材料在快速拉伸时（绝热过程）正好相反，其温度减小。高弹与普弹性的根本区别高弹：大分子链段运动，与时间有关。其内能几乎不变，主要由构象熵变化引起。普弹：分子键长、键角变化，与时间几乎无关，主要由内能变化引起。由于高聚物特有的分子链柔性造成了橡胶固、液、气三者兼顾的特性熵弹性世间万物可以分为固体、液体、气体，而橡胶的特殊之处在于它三者兼顾。橡胶弹性的本质:熵弹性橡胶弹性的本质高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。未施加任何力的作用，凝聚分子将呈球形，原因：1）就任何液体而言，是表面能最低的形状；2）对长链分子而言，是熵最大的形状，具有最大的构象数。聚合物呈无规线团状能弹性熵弹性弹性：形变可恢复的性质能弹性的特点：1）应力和应变之间保持单值、唯一的关系，与加载路径无关，符合虎克定律，可称能弹性材料为虎克弹性体；2）弹性形变与时间无关，即弹性形变是瞬时达到的；3）弹性变形量小，一般在0.1%~1%之间；4）弹性模量较大，可达105MPa；5）绝热伸长时变冷（吸热），回复时放热。能弹性晶体材料变形时，原处于平衡结点上的原子沿应力方向伸长，原子间的引力加大，内能增加。载荷去除后内能自发减小的过程将使变形回复。由于晶体材料变形时微观有序度基本不变，则熵值基本不变。熵弹性的特点（与能弹性相反）：1）应力和应变之间不保持单值、唯一的关系，与加载路径有关；2）弹性形变与时间有关，即弹性形变不是瞬时达到的；3）弹性变形量大，一般在100%~1000%之间；4）弹性模量较小；5）绝热伸长时变热（放热），回复时吸热。熵弹性天然橡胶或线性非晶态聚合物的高弹态（温度高于玻璃化温度），变形主要是由原处于卷曲状态的长分子链沿应力方向伸展而实现，伸展的分子链由于构象数较少，因而熵较小。外力去除后，熵增大的自发过程将使分子链重新回复到卷曲状态，产生弹性回复。这种由熵变化为主导致的弹性变形成为熵弹性。应变——无惯性移动的材料受外力作用而产生形状和尺寸的相对改变。应力——单位截面积材料所承受与外力方向相反、源于分子内各种形式的结构改变而产生的内作用力。外力导致形变，形变产生内应力。◆应力与应变6.1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Compression单轴拉伸Uniaxialelongation双轴拉伸biaxialelongation等轴非等轴剪切拉伸压缩介绍两种主要受力方式：张力：垂直于任意截面的拉伸力。剪力：平行于平面的拉伸力。Engineeringstress工程应力0AFAF'Truestress真应力单位：N/m2---帕斯卡拉伸：受大小相等、方向相反、在一条直线上的力作用STRAIN应变Engineeringstrain工程应变Truestrain真应变100lll-伸长率elongationratio0ln0llldlll单位：无因次量TENSILEMODULUS拉伸模量ORYOUNG’SMODULUS杨氏模量EDCompliance柔量Modulus材料抵抗变形能力的大小。单位：N/m2，或称为Pa,（MPa,GPa）SHEAR剪切剪切位移S，剪切角，剪切面间距d剪切应变tgdS剪切应力Shearingstress0AF剪切应变ShearingstrainSHEARMODULUSANDCOMPLIANCEINSHEAR剪切模量和剪切柔量GJ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•固体•液体•粘弹体适用COMPRESSION压缩压缩应变COMPRESSIONSTRAIN0VVModulusofcompression压缩模量PBVPVB0)21(3)1(2BGEPossionratio泊松比Tllmm00//拉伸◆泊松比拉伸试验中材料横向收缩应变与纵向伸长应变的比值。一些材料的泊松比材料名称泊松比材料名称泊松比锌0.21玻璃0.25钢0.25~0.33石料0.16~0.34铜0.31~0.34聚苯乙烯0.33铝0.32~0.36低密度聚乙烯0.38铅0.45赛璐珞0.39汞0.5橡胶类0.49~0.5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0.20~0.40塑料的典型数值为什么泊松比=0.5时形变时体积不变（体积不可压缩）？21//*5.0//000000llmmllmm拉伸l0*m0=(l0+l)*(m0+m)=2l0*(m0+m)高=l0+l=2*l0若体积不变m0高=l0m=-0.5*m06.2橡胶弹性的热力学方程——本质？？橡胶的热力学方程的表达形式及物理意义以适度交联、形变完全可逆的分子链网络为模型进行热力学分析，橡皮为热力学体系，环境是外力、温度和压力，可逆形变实验在恒温恒压下完成。长度为l的橡皮在拉伸力f的作用下伸长dl，根据热力学第一定律，体系的热力学能为：热力学第一定律：能量能够从一种形式转变为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转换和传递的过程中，各种形式的能量的总量不变。dU=dQ-dW内能的变化体系吸收的热量体系对外所做的功HPVUPVFTSTSGH=PV+UF=U-TSG=H–TS=U+PV-TSdQ=TdS热力学第二定律---不可能把热量从低温物体传到高温物体而不产生其他影响。假设拉伸过程为等温可逆，根据热力学第二定律：膨胀功+拉伸功dW=PdV-fdl单轴拉伸过程体系对外界所作的功为dU=TdS-PdV+fdl橡胶在等温拉伸中体积不变，即dV=0dU=TdS+fdl（等温等容）焓是一种热力学函数，对任何系统来说，焓的定义为：H=U+PV等温等压拉伸：dU=TdS+fdl（等温等压）内能变化熵变化等温等容条件下：物理意义：外力作用在橡胶上