#42# 材 料 开 发 与 应 用 2005年6月
文章编号:1003-1545(2005)03-0042-05
综 述
分子结构对高分子材料动态力学性能
影响的研究进展
王 兵,孙社营
(洛阳船舶材料研究所,河南洛阳 471039)
摘 要:从材料的阻尼性能的表征出发,系统总结了高分子材料阻尼机理研究状况。主要以LA和TA分析法为例,从分子设计角度,总结阐述了近年来有关分子结构对高分子材料动态力学性能影响的研究成果和存在的问题,并对未来此方面的研究进行了简单的预测。关键词:分子结构;动态力学性能;分子设计中图分类号:O631 文献标识码:A
随着工业的快速发展,有关振动和噪声污染的问题越来越突出。在振动控制和噪声治理领域,高分子阻尼材料以其优异的能量耗散性能倍受瞩目。而材料的阻尼性能或动态力学性能是与其分子结构密切相关的,因而研究高分子材料分子结构对其动态力学性能的影响,对于深化高分子材料减振降噪理论的研究及其工程应用具有重大的意义。本文从分子设计角度,系统总结了分子结构对材料动态性能的影响规律,寻求从材料动态力学性能到化学结构设计的可能性。这对于有目的地设计和开发阻尼材料具有重要的指导意义。
子阻尼材料的阻尼性能越好,图1中$W的面积就越大。此法常用于评价低频下(小于0.1Hz)的阻尼性能。
图1 材料的R-E关系图(迟滞回线图)
1.2 损耗模量或损耗因子
材料在周期性应力作用下,会受激发而产生周期性振动,由于材料的粘弹性,应变的相位落后于应力的相位差为D。人们常用损耗因子G=tanD来表征材料的阻尼性能。以杨氏模量为例,复模量表示为:
E*=Ec+iEd=Ec(1+iG)
(2)
式中Ec为复模量的实部,又称弹性模量或储能模量,Ed为复模量的虚部,又称粘性模量或损耗模量。损耗因子G和损耗模量Ed均可表征材料阻尼能力的大小。
1 材料阻尼性能的表征
1.1 比阻尼能力
材料在一交变应力R作用下,产生的应变E落后于应力R,从而出现应力-应变回线(如图1),这个回线的面积代表了振动一周时单位体积的试样所消耗的能量。比阻尼能力可表示为:
PEdE0
WE+PEd)2Ec+PEd0(2Ec
其中,$W为振动一周时单位体积试样所消耗的能量,W为单位体积的试样在振动过程中所贮存的最大弹性能量,亦即外界供给的弹性能。$W正比于回线面积,W由应力和应变的乘积决定。高分
2
2 高分子阻尼材料分子结构与其能
量耗散的关系
高分子材料微观结构与其能量耗散的关系早
第20卷第3期 王兵等:分子结构对高分子材料动态力学性能影响的研究进展 #43#
就受到了材料研究工作者的重视。一般认为,在外力的作用下,材料内部单元相互摩擦,产生热能耗散能量,而这种能量的耗散能力在材料的玻璃化温度附近达到最大。可以解释为,高分子材料在玻璃化转变温度附近,分子链节与链段处于/冻结0与/解冻0的临界状态[1],受到外力时,分子链从外界吸收能量以克服分子内旋转的势垒,一部分链段可以在外力除去后恢复原状,而另一部分分子链段间的变形不能完全复原,将变形所作的功转变为热能[2]。人们从聚合物的组成、交联剂的类型与用量、扩链剂的类型与用量等许多方面考察了高分子材料分子结构对其动态力学性能的影响,得到了大量的对材料的开发和应用很有意义的结论。一般认为,材料的内耗大小与分子本身的化学结构有关,当分子链带有取代基时,链段的弛豫阻力增大,内耗增加。高分子链上侧基体积较大、数量多、极性大以及分子间氢键多、相互间作用强,其耗散能量的能力就相对较强。其中,Chang、Sperling和Thomas等人的研究最引人注目,他们对(甲基)丙烯酸酯类阻尼材料作了大量研究,从分子水平上较好地阐释了粘弹性材料的阻尼机理[3~
11]
LA作为表征材料动态力学性能的重要参量,为研究材料的分子结构对动态力学性能的影响规律奠定了基础。Chang等人通过对丙烯酸类、乙烯类以及苯乙烯类单体形成的均聚物、共聚物和互穿聚合物网络等一系列材料的研究,将基团贡献分析
法应用于对LA值的分析,得到了分子基团结构(或亚结构单元)对材料阻尼性能贡献的定量化结果,即材料中所有的重复单元都对LA值有一个特定的具有加和性的贡献值[9~
11]
。
在物理化学领域,基团贡献分析法已经在溶解度参数、摩尔体积、熔化热、熔化熵、玻璃化转变温度、内聚能等物理量的分析上得到成功的应用。Chang等人认为,采用动态力学谱可研究周期性外
力场与高分子材料结构单元之间的相互作用,当这种相互作用达到共振时则形成特定的峰。由这些峰可以理解和认识不同结构单元的分子运动。而玻璃化转变温度是由大规模的高分子骨架构象重排引起,这种重排意味着围绕主链的亚结构单元发生受阻旋转,因此聚合物链上的所有亚结构单元都对玻璃化转变有贡献[11]。如式(3)所示
n
iii
LA=i=21=i=21(3)
MM
式中,Mi为重复单元中第i个结构单元的分子量,
n
。
3 高分子材料分子结构对其动态力
学性能的影响
正是由于阻尼材料的动态力学性能与材料的分子结构密切相关,多年来众多的材料研究工作者试图寻求两者的相互关系,以寻求材料研究和设计的直接证据。其中,LA和TA分析法最引人注目,它们实现了将材料的分子结构对其动态力学性能的影响定量化。3.1 LA分析法
Fradkin最先定量讨论了分子结构与阻尼性能关系,定义了阻尼函数D.F.=
#42# 材 料 开 发 与 应 用 2005年6月
文章编号:1003-1545(2005)03-0042-05
综 述
分子结构对高分子材料动态力学性能
影响的研究进展
王 兵,孙社营
(洛阳船舶材料研究所,河南洛阳 471039)
摘 要:从材料的阻尼性能的表征出发,系统总结了高分子材料阻尼机理研究状况。主要以LA和TA分析法为例,从分子设计角度,总结阐述了近年来有关分子结构对高分子材料动态力学性能影响的研究成果和存在的问题,并对未来此方面的研究进行了简单的预测。关键词:分子结构;动态力学性能;分子设计中图分类号:O631 文献标识码:A
随着工业的快速发展,有关振动和噪声污染的问题越来越突出。在振动控制和噪声治理领域,高分子阻尼材料以其优异的能量耗散性能倍受瞩目。而材料的阻尼性能或动态力学性能是与其分子结构密切相关的,因而研究高分子材料分子结构对其动态力学性能的影响,对于深化高分子材料减振降噪理论的研究及其工程应用具有重大的意义。本文从分子设计角度,系统总结了分子结构对材料动态性能的影响规律,寻求从材料动态力学性能到化学结构设计的可能性。这对于有目的地设计和开发阻尼材料具有重要的指导意义。
子阻尼材料的阻尼性能越好,图1中$W的面积就越大。此法常用于评价低频下(小于0.1Hz)的阻尼性能。
图1 材料的R-E关系图(迟滞回线图)
1.2 损耗模量或损耗因子
材料在周期性应力作用下,会受激发而产生周期性振动,由于材料的粘弹性,应变的相位落后于应力的相位差为D。人们常用损耗因子G=tanD来表征材料的阻尼性能。以杨氏模量为例,复模量表示为:
E*=Ec+iEd=Ec(1+iG)
(2)
式中Ec为复模量的实部,又称弹性模量或储能模量,Ed为复模量的虚部,又称粘性模量或损耗模量。损耗因子G和损耗模量Ed均可表征材料阻尼能力的大小。
1 材料阻尼性能的表征
1.1 比阻尼能力
材料在一交变应力R作用下,产生的应变E落后于应力R,从而出现应力-应变回线(如图1),这个回线的面积代表了振动一周时单位体积的试样所消耗的能量。比阻尼能力可表示为:
PEdE0
WE+PEd)2Ec+PEd0(2Ec
其中,$W为振动一周时单位体积试样所消耗的能量,W为单位体积的试样在振动过程中所贮存的最大弹性能量,亦即外界供给的弹性能。$W正比于回线面积,W由应力和应变的乘积决定。高分
2
2 高分子阻尼材料分子结构与其能
量耗散的关系
高分子材料微观结构与其能量耗散的关系早
第20卷第3期 王兵等:分子结构对高分子材料动态力学性能影响的研究进展 #43#
就受到了材料研究工作者的重视。一般认为,在外力的作用下,材料内部单元相互摩擦,产生热能耗散能量,而这种能量的耗散能力在材料的玻璃化温度附近达到最大。可以解释为,高分子材料在玻璃化转变温度附近,分子链节与链段处于/冻结0与/解冻0的临界状态[1],受到外力时,分子链从外界吸收能量以克服分子内旋转的势垒,一部分链段可以在外力除去后恢复原状,而另一部分分子链段间的变形不能完全复原,将变形所作的功转变为热能[2]。人们从聚合物的组成、交联剂的类型与用量、扩链剂的类型与用量等许多方面考察了高分子材料分子结构对其动态力学性能的影响,得到了大量的对材料的开发和应用很有意义的结论。一般认为,材料的内耗大小与分子本身的化学结构有关,当分子链带有取代基时,链段的弛豫阻力增大,内耗增加。高分子链上侧基体积较大、数量多、极性大以及分子间氢键多、相互间作用强,其耗散能量的能力就相对较强。其中,Chang、Sperling和Thomas等人的研究最引人注目,他们对(甲基)丙烯酸酯类阻尼材料作了大量研究,从分子水平上较好地阐释了粘弹性材料的阻尼机理[3~
11]
LA作为表征材料动态力学性能的重要参量,为研究材料的分子结构对动态力学性能的影响规律奠定了基础。Chang等人通过对丙烯酸类、乙烯类以及苯乙烯类单体形成的均聚物、共聚物和互穿聚合物网络等一系列材料的研究,将基团贡献分析
法应用于对LA值的分析,得到了分子基团结构(或亚结构单元)对材料阻尼性能贡献的定量化结果,即材料中所有的重复单元都对LA值有一个特定的具有加和性的贡献值[9~
11]
。
在物理化学领域,基团贡献分析法已经在溶解度参数、摩尔体积、熔化热、熔化熵、玻璃化转变温度、内聚能等物理量的分析上得到成功的应用。Chang等人认为,采用动态力学谱可研究周期性外
力场与高分子材料结构单元之间的相互作用,当这种相互作用达到共振时则形成特定的峰。由这些峰可以理解和认识不同结构单元的分子运动。而玻璃化转变温度是由大规模的高分子骨架构象重排引起,这种重排意味着围绕主链的亚结构单元发生受阻旋转,因此聚合物链上的所有亚结构单元都对玻璃化转变有贡献[11]。如式(3)所示
n
iii
LA=i=21=i=21(3)
MM
式中,Mi为重复单元中第i个结构单元的分子量,
n
。
3 高分子材料分子结构对其动态力
学性能的影响
正是由于阻尼材料的动态力学性能与材料的分子结构密切相关,多年来众多的材料研究工作者试图寻求两者的相互关系,以寻求材料研究和设计的直接证据。其中,LA和TA分析法最引人注目,它们实现了将材料的分子结构对其动态力学性能的影响定量化。3.1 LA分析法
Fradkin最先定量讨论了分子结构与阻尼性能关系,定义了阻尼函数D.F.=