第6章 橡胶弹性

1.高弹性有哪些特征？为什么聚合物具有高弹性？在什么情况下要求聚合物充分体现高弹性？什么情况下应设法避免高弹性？

答：（1）高弹性特征：a.弹性模量很小;b.形变量很大;c.弹性模量随绝对温度的升高正比的增加；d.形变时有明显的热效应。 （2）略（3）略

2.试述交联橡胶平衡态髙弾形变热力学分析的依据和所得结果的物理意义。 答：依据：热力学第一定律和第二定律， 物理意义：橡胶变形后的张应力可以看成是由熵的变化和内能的变化两部分组成。只有熵才能贡献的弹性叫熵弹性，橡胶拉伸时内能变化很小，主要是熵的变化。内能的变化是橡胶拉伸时放热的原因。

3．简述橡胶弹性统计理论的研究现状与展望，说明橡胶弹性唯象理论的优缺点。 答：略。

4．什么叫热塑性弹性体？举例说明其结构与性能关系。

答：（1）热塑性弹性体是一种兼有塑料和橡胶特性、在常温下显示橡胶高弹性、高温下又能塑化成型的高分子材料，又称为第三代橡胶。

（2）苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物（SBS），PB分散相Tg高于室温，构成物理交联区域；故SBS室温下为弹性体，高温下发生粘性流动，可以塑化成型。

5.一交联橡胶试片，长2.8cm、宽1.0cm、厚0.2cm、重0.518g，于25℃时拉长1倍，测定张力为9.8N。请计算该试样网链的平均分子量。 答：8185g/mol

6. 某硫化橡胶试样，其网链平均分子量为10000，密度为1g/cm3。问25℃时拉伸1倍需要多大的应力?(R=8.314J/K·mol) 答：

Pa

7.一硫化橡胶试样，应力为1.5×106N/m2时拉伸比为2.5.试计算该试样1cm3中的网链数。 答：

8.（1）利用橡胶弹性理论，计算交联点间平均分子量为5000、密度为0.925g/cm3的弹性体在23℃时的拉伸模量和切变模量。（R=8.3145J/K·mol）

(2)若考虑自由末端校正，模量将怎样改变？（已知试样的答：(1)E=1.366Mpa, G=0.455 Mpa (2) E=1.229Mpa, G=0.410 Mpa

9.称取交联后的天然橡胶试样，于25℃在正癸烷溶剂中溶胀。达溶胀平衡时，测得体积溶胀比为4.0。已知高分子-溶剂相互作用参数χ1=0.42，聚合物的密度ρ2=0.925g/cm3,溶剂的摩尔体积为195.86cm3/mol,试计算该试样的剪切模量G(R=8.3145J/K·mol)。

=100000）

答：

。

第7章 聚合物的粘弹性

1.举例说明聚合物的蠕变、应力松弛、滞后和内耗现象。为什么聚合物具有这些现象？这些现象对其的使用性能存在哪些利弊？

2.简述温度和外力作用频率对聚合物内耗大小的影响。画出聚合物的动态力学普示意图，举出两例说明谱图在研究聚合物结构与性能方面的应用。

3.指出Maxwell模型、Kelvin模型和四元件模型分别适宜于模拟哪一类型聚合物的那一种力学松弛过程？

答：Maxwell模型适宜于模拟线形聚合物的应力松弛过程，Kelvin模型适宜于模拟交联聚合物的蠕变过程，四元件模型适宜于模拟线形聚合物的蠕变过程。

4.什么是时温等效原理？该原理在预测聚合物材料的长期使用性能方面和在聚合物加工过程中各有哪些指导意义？

答：（1）升高温度与延长时间对分子运动是等效的，对聚合物的粘弹行为也是等效的，这就是时温等效原理。 （2）需要在室温条件下几年甚至上百年完成的应力松弛实验实际上是不能实现的，但可以在高温条件下短期内完成；或者需要在室温条件下几十万分之一秒或几百万分之一秒中完成的应力松弛实验，可以在低温条件下几个小时甚至几天内完成。

5.定量说明松弛时间的含意。为什么说作用力的时间相当时，松弛现象才能被明显地观察到？

答：（1）松弛时间是粘性系数和弹性系数的比值；

（2）如果外加应力作用时间极短，材料中的粘性部分还来不及响应，观察到的是弹性应变。反之，若应力作用的时间极长，弹性应变已经回复，观察到的仅是粘性流体贡献的应变，材料可考虑为一个简单的牛顿流体。只有在适中的应力作用时间，材料的粘弹性才会呈现，应力随时间逐渐衰减到零，这个适中的时间正是松弛现象的内部时间尺度松弛时间τ。

6.简述聚合物粘弹理论的研究现状与展望。 答：略。

7.一某种聚合物材料作为两根管子接口法兰的密封垫圈，假设该材料的力学行为可以用Maxwell模型来描述。已知垫圈压缩应变为0.2，初始模量为3e6N/m2,材料应力松弛时间为300d，管内流体的压力为0.3e6N/m2,试问多少天后接口处将发生泄露？ 答：208d。

8.将一块橡胶试片一端夹紧，另一端加上负荷，使之自由振动。已知振动周期为0.60s，振幅每一周期减少5%，试计算：

（1）橡胶试片在该频率（或振幅）下的对数减量（△）和损耗角正切（tgδ）； （2）假若△=0.02，问多少周期后试样的振动振幅将减少到起始值的一半？

答：（1）（2）21。

；

9.分别写出纯粘性液体（粘滞系数η）、理想弹性体（弹性模量E）、Maxwell单元（EM、

ηM)和Kelvin单元（EK, Ηk）在t=0时加上一恒定应变速度K后应力（δ）随时间（t）的变化关系，并以图形表示之。

解：（1）δ=KEt, 图形为一过原点直线。

（2）δ=Kη, 图形为一水平直线。

（3）δ=Kη-ηexp(-Et/η), 图形为一条斜率逐渐减小的曲线。

（4）δ=KEt+ηK 图形为一直线，与纵轴交点在横轴上方。

10.设聚丙烯为线性粘弹体，其柔量为D（t）=1.2t0.1(GPa)-1(t的单位为s),应力状态如下： δ=0 t<0

δ=1MPa 0≦t≦1000s δ=1.5MPa 1000s≦t≦2000s 试计算1500s时，该材料的应变值。 答：

11.在频率为1Hz条件下进行聚苯乙烯试样的动态力学性能实验，125℃出现内耗峰。请计算在频率1000Hz条件下进行上述实验时，出现内耗峰的温度。（已知聚苯乙烯的Tg=100℃） 答：151.3℃

12.某聚合物试样，25℃时应力松弛到模量为1e5N/m^2需要10h。试计算-20℃时松弛到同一模量需要多少时间？（已知该聚合物的Tg=-70℃） 答：

13.某聚合物的粘弹行为服从Kelvin模型，其中η值服从WLF方程，E值服从橡胶弹性统计理论。该聚合物的玻璃化温度为5℃，该温度下粘度为1e12Pa·s，有效网链密度为1e-4mol/cm^3。试写出30℃、1e6Pa应力作用下该聚合物的蠕变方程。

答：

第8章 聚合物的屈服和断裂

1.名词解释：

脆-韧转变点；细颈；剪切带；银纹；应力集中；疲劳。

脆-韧转变点：在一定应变速率下，作断裂应力和屈服应力分别与温度T的关系曲线，两条曲线的交点就是脆韧屈服转变点。

细颈：高分子材料试样条在拉伸实验中，试条某点的横截面突然快速下降的现象。 剪切带：只发生在局部带状区域内的剪切变形。

银纹：聚合物在张应力作用下，于材料某些薄弱地方出现应力集中而产生局部的塑性形变和取向，以至在材料表面或内部垂直于应力方向上出现长度为100μm、宽度为10μm左右、厚度约为1μm的微细凹槽。

应力集中：受力材料在形状、尺寸急剧变化的局部或内部缺陷（孔、裂缝等）的附近出现应力显著增大的现象。 疲劳：材料或构件在周期应力作用下断裂或失效的现象，是材料在实际使用中常见的破裂 形式。

2.画出非晶态和晶态聚合物拉伸时典型的应力-应变曲线，指出曲线上的特征点及相应的应力、应变名称。 3.讨论温度、应变速度、流体静态压力对上述应力-应变曲线的影响规律。

4.简述几种组合应力作用下材料的屈服判据，比较不同判据之间的差异。 答：（1）单参数屈服判据（Tresca判据和最大形变能理论），只受正应力和切应力；（2）双参数屈服判据（Coulomb判据或MC判据），受正应力、切应力和正压力。此外考虑流体静压力的改进的Tresca和Von Mises判据也适用。 5.何谓聚合物的强度？为什么理论强度比实际强度高很多倍？

6.简述聚合物增强、增韧的途径和机理。

答：聚合物增强途径：通过添加增强剂来形成复合材料；

机理：形成复合材料，可以传递应力，避免基体应力集中，提高力学强度。