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高分子材料时间—温度—应力等效性的研究

刘薇  
【摘要】:高分子材料长期使用性能及超短时间性能的预测和评价是当前高分子材料科学及工程中极其重大的研究课题之一。高分子材料时-温等效原理是研究这一课题的理论基础。而传统的WLF方程是高分子界唯一的用来定量研究材料时-温等效性的半经验方程,但因该方程中的常数c_1、c_2没有明确的物理意义,且随材料结构不同及力学状态的不同有明显的差别,给计算带来了很大的误差。因此尚不能做为定量预测材料使用性能的依据。 为此,作者首先对传统的WLF方程进行了全面考察,分别用Doolittle方程及Arrhenius方程推导出WLF方程的形式,从而首次赋予了c_1及c_2明确的物理意义,即c_1、c_2是与表观活化能△E及温敏系数r等有关的参数,并用30多种高分子材料的c_1、c_2计算出△E及r值,从理论上解释了这些常数随材料柔顺性不同而不同的原因,从而验证了c_1、c_2物理意义表达式的合理性。并从其表达式含有活化能参数的事实中,发现WLF方程产生计算误差的原因,即材料在不同的力学状态下,其活化能值也不同,那么将c_1及c_2做为常数处理显然是不合理的。为此,作者对高分子材料的时-温等效方程重新进行了探讨,并对传统的研究方法也进行了改进,过去,在研究材料的时-温等效原理时均采用应力松弛模量法,该法不仅不能得到包括流动态在内的完整的实验数据,而且所需的实验设备复杂,操作困难,因此,作者首次提出并采用了温度—形变曲线方程来研究高分子材料时-温等效原理。该法充分弥补了传统方法的不足,并由此首次推导出了与传统的WLF方程形式完全不同的新的时-温等效基本方程。并用该方程详细考察了多种典型材料的抗形变性能与松弛时间(观察时间)的关系,提出了活化能谱的新概念,它对评价不同力学状态下高分子材料内部运动单元的运动模式具有实际意义。 但是,目前由于有越来越多的材料做为工程塑料或结构材料来使用,从而使材料不仅受到温度场、时间场的作用,同时还受到应力场的共同作用,甚至往往使材料处于高温、高应力及长时间的环境中,那么对材料使用性能的研究只考虑时间和温度的因素是不够的,必须要对时间—温度—应力三者之间的关系进行研究。而且由于工程材料在越来越多的行业中直接与人的生命及财产有密切的关系,那么对其在不同使用环境中机械性能的


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