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第6章橡胶弹性
本章教学目的
1、熟悉4个材料常数的定义及其相互关系,掌握工程上材料力学性能物理量。
2、熟悉橡胶弹性的特点。
3、通过热力学分析掌握橡胶弹性的本质。
4、熟悉橡胶状态方程,掌握一般修正。
5、熟悉橡胶和热塑性弹性体结构与性能的关系。
橡胶包括天然橡胶和合成橡胶。弹性体是呈现橡胶弹性的聚合物。
橡胶的通俗概念:施加外力时发生大的形变,外力除去后形变可恢复的弹性材料。美国材料协会标准(ASTM)规定:20~27℃下,1min可拉伸2倍的试样,,具有106~107Pa的杨氏模量者称为橡胶。
橡胶的柔性、长链结构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,除去外力又恢复卷曲状态。橡胶适度交联可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。交联可通过交联剂硫磺、过氧化物等与橡胶反应来完成。对于热塑性弹性体,则是一种物理交联。
1、橡胶和弹性体和物理力学性能
橡胶和弹性体和物理力学性能极其特殊:
(1)有稳定的尺寸,在小形变(<5%)时,其弹性响应符合虎克定律,像固体;
(2)热膨胀系数和等温压缩系数与液体同数量级,说明其分子间作用力与液体相似;
(3)导致形变的应力随温度升高而增加,与气体压强随温度升高而增加相似。
2、橡胶弹性的特点
(1)弹性形变很大,可高达1000%。而一般金属材料的弹性形变不超过1%。产生大形变的原因:柔性长链。
(2)弹性模量小,弹性模量约为105 N/m2。而一般金属材料弹性模量可1010~1011 N/m2 。
(3)弹性模量随温度升高而增大,因T↑,τ↓,回缩能力↑,模量↑。而金属材料的弹性模量随温度升高而减小。
(4)形变时有明显的热效应。把橡皮快速拉伸,温度升高(放热)。其原因:链段由混乱到规则排列,熵值减小;链段运动时要克服内摩擦而产生热量;分子规则排列会发生结晶,结晶过程是放热过程,因此橡胶被拉伸时放出热量。回缩时,温度降低(吸热)。这种现象称为热弹效应。但金属材料与之相反。
(5)形变具有松弛特性,即高弹形变与外力作用时间有关,特别对于线性聚合物。在高弹形变中常常伴随不可逆流动变形,作用力持续时间愈长,不可逆形变越显著。橡胶受外力拉伸或压缩时,形变总是随时间而逐渐发展的,最后达到最大形变,这种现象称为蠕变。而拉紧的橡皮会逐渐变松,这种应力随时间而下降或消失的现象称为应力松弛。蠕变和应力松弛统称为力学松弛。因为链段运动需要克服内摩擦力,故橡胶形变需要时间。
形变类型及描述力学行为的基本物理量
受力方式与形变类型
拉伸:单轴拉伸,双轴拉伸
简单剪切:形状改变而体积不变
本体压缩(或本体膨胀):体积改变而形状不变
应力和应变
1、应变材料受到外力(如张力、剪切力、围压力等)作用时,发生几何形状和尺寸的改变,就称为应变(相应称张应变、切应变和压缩应变)。
2、应力材料发生应变时,其内部产生一个附加内力,抵抗外力,并力图使材料恢复到原来的状态,达到平衡时,附加内力与外力大小相等,方向相反。定义单位面积上的附加内力为应力。
(1) 简单拉伸
l0
l = l0 + Dl
A0
A
F
F
F
F
应变: 真应变:
应力: 真应力:
(2) 简单剪切
F
F
q
d
S
A0
A0
剪切位移
剪切角
切应变: 切应力:
(3) 均匀压缩
V0
P
V0 - DV
均匀压缩应变:
弹性模量
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。模量越大,越不容易变形,材料刚性越大。
简单拉伸:拉伸模量或杨氏模量
简单剪切:剪切模量

均匀压缩:体积模量
三种弹性模量间的关系
各向同性材料:
n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。它也是一个反映材料性质的重要参数。

常见材料的泊松比
泊松比数值解释
不可压缩或拉伸中无体积变化
没有横向收缩
~ 橡胶的典型数值
~ 塑料的典型数值
E, G, B and n: 或
四个材料常数已知两个就可以从上式计算另外两个。显然E>G,也就是说拉伸比剪切困难。三大高分子材料在模量上有很大差别,橡胶的模量较低,纤维的模量较高,塑料居中。
橡胶的使用温度范围
Tg是橡胶使用温度下限,分解温度Td是使用温度上限。
1、改善高温耐老化性能,提高耐热性
橡胶主链结构上常含有大量双键,橡胶在高温下,易发生臭氧龟裂、氧化裂解、交联或其它因素的破坏,不耐热,很少能在120℃以上长期使用。