Высокоэластическое состояние

ВЫСОКОЭЛАСТИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ, релаксационное (физическое) состояние, характерное для гибкоцепных полимеров и материалов на их основе. При механическом нагружении материалов, находящихся в высокоэластическом состоянии, проявляются большие (до многих сотен процентов) обратимые, так называемые высокоэластические, деформации. Механические свойства материалов в области высокоэластического состояния описываются нелинейной зависимостью величины растягивающего напряжения от степени удлинения. Это принципиально отличает упругость материалов, находящихся в высокоэластическом состоянии, от упругости обычных твёрдых тел (металлов, стёкол и др.). Модуль упругости полимеров в высокоэластическом состоянии при больших деформациях, так называемый модуль высокоэластичности, имеет низкие значения (10⁵-10⁶ Па).

В зависимости от природы полимера высокоэластическое состояние может реализовываться в различных интервалах температуры в диапазоне от -100 до 250°С. Для линейных полимеров высокоэластическое состояние проявляется между стеклообразным состоянием и вязкотекучим состоянием. Для сетчатых полимеров высокоэластическое состояние реализуется при температурах ниже температуры разложения, так как вязкотекучее состояние для них не характерно. Переходы между различными релаксационными состояниями полимеров характеризуются значениями времён релаксации и модуля упругости, поэтому границы высокоэластического состояния зависят также от частоты нагружения (или длительности наблюдения за развитием деформации). Так, при высокочастотном изотермическом деформировании поведение материала аналогично тому, как если бы он находился в стеклообразном состоянии, а при очень низких частотах или длительном действии нагрузки происходит течение полимера. В этом случае промежуточный диапазон частот трактуется как область существования высокоэластического состояния.

Возможность развития больших деформаций в области высокоэластического состояния обусловливается изменением конформации макромолекулярной цепи - различием между размером макромолекулы, свёрнутой в клубок в ненагруженном состоянии, и длиной этой молекулы, выпрямленной под действием внешней силы. Переход от одной конформации к другой происходит путём вращения звеньев цепи вокруг простых связей. Изменение конформации цепи при нагружении приводит к уменьшению энтропии системы. Сопротивление деформированию обусловлено броуновским (тепловым) движением участков макромолекулярной цепи и характеризуется величиной модуля высокоэластичности, который в идеальном случае определяется только изменением энтропии. С ростом температуры модуль высокоэластичности увеличивается. Этот эффект отражает статистический механизм высокоэластичности и характерен только для полимеров, находящихся в высокоэластическом состоянии. Для реальных макромолекул совершенно свободного вращения звеньев не существует из-за внутри- и межмолекулярных взаимодействий; для них, в частности, характерно наличие трёхмерной «сетки зацеплений». Поэтому определённый вклад в сопротивление деформированию вносит изменение внутренней энергии. Модуль высокоэластичности определяется величиной средней молекулярной массы отрезка макромолекулярной цепи между соседними узлами в трёхмерной сетке.

Полимеры в стеклообразном и кристаллическом состояниях также способны проявлять большие, так называемые вынужденно-эластические, деформации, которые по своей природе не отличаются от высокоэластических деформаций. Однако в этих физических состояниях пониженная подвижность макромолекул препятствует немедленному восстановлению первоначальной формы после снятия внешней нагрузки и обратимость деформаций реализуется только при нагревании образца выше температуры стеклования или при набухании полимера. В кристаллических полимерах вынужденно-эластические деформации сопровождаются структурным переходом в ориентированное состояние.

Материалы, обладающие высокоэластическими свойствами во всём диапазоне температур эксплуатации, называются эластомерами. Типичные эластомеры - каучуки и резины.

Лит.: Treloar L. The physics of rubber elasticity. 3rd ed. Oxf., 1975; Бартенев Г. М., Зеленев Ю. В. Физика и механика полимеров. М., 1983.