本書為讀者了解聚合物固體材料各力學理論提供分子黏彈性方面的基礎訓練,也是進入黏彈性材料各力學領域的一把鑰匙。
本書的特點是用連續(xù)體力學方法和分子方法描述聚合物固體材料的黏彈性。詳細地提出了所有的推導,同時,在特別注意假設、簡化和局限性的前提下提出模型和概念,并將連續(xù)體力學方法推導的結(jié)果與分子方法的推導結(jié)果加以比較,使物理概念更加深化。重點是介紹分子方法的成果。因此,本書是聚合物固體材料(如工程塑料、合成橡膠、非金屬基復合材料、火箭固體推進劑以及新建筑材料等)各分支的力學工作者以及材料的研究、制造、應用者的基礎參考書。
由于2005年美國出版的原著的第三版提高了起點,第一版許多章節(jié)的詳細論述壓縮在附錄中,所以增加了學習的難度。特別是第一版只有31個習題,而第三版習題增加到85個。這些習題的范圍從比較直接使用書中給出的方程到需要更詳細的分析和采用需要使用計算機的數(shù)值方法。有些習題甚至適合作為科研項目課題。它們給學生提供了研究、設想、估計和創(chuàng)新的機會。為了幫助學習第三版,有必要再版第一版中譯本,因為第一版對第三版的結(jié)論性論述講清了所以然。
。保梗罚的甑剑保梗福纺,我先后給國防科技大學五系五三專業(yè)的本科生和研究生開設了本課程。當時的1972級學生是工農(nóng)兵學員,在下廠開門辦學時,為結(jié)合型號需要我給他們講解了美國科技報告AD408799《裝藥結(jié)構(gòu)完整性分析的工程方法》,基礎涉及到黏彈性理論和黏彈性斷裂力學理論。于是,我翻譯了原著的第一版和美國R.A.Schapery1975年發(fā)表在《InternationalJournalofFracture》上的文章《黏彈介質(zhì)中裂紋開始和增長的理論》。并給學生開設了“固體聚合物材料黏彈破壞分析的力學基本知識”和“固體聚合物材料黏彈性破壞分析的理論概要”的專題講座。1981年我給研究生全面開設了本課程,由于當時的研究生多是從工農(nóng)兵大學畢業(yè)生招來,數(shù)學基礎差別很大。為使每個階級兄弟不掉隊,我在講課時采取了細密解讀的方法,全面的對書中的公式進行了詳細推導。在上習題課時,讓學生爬黑板并進行課堂討論,同時我根據(jù)當時學生數(shù)學的不足之處在課堂講授時,給學生補了一些數(shù)學知識。在講課時我盡量降低起點,以使數(shù)理基礎差的同學也能跟上,也能自己做習題,達到強化訓練的目的。當時進行課堂講授時,我給學生提供了一些國防科技大學圖書館能借到的參考書。由于年代久遠,現(xiàn)在已無法按照出版要求列出書目。就讓它保持原貌得了。讀者也可以從中了解當時教學的情況。
大約是2004年前后,過去選過我課的學生要求我到他們研究院去講課,可是這時我已經(jīng)是個血透七年的尿毒癥病人,當時十一五計劃十五專業(yè)組給了我一點科研費正承擔著一個科研任務,也無法抽身。九院院長焦繼革希望我把當年的解讀稿印出來給他們看看。2006年我完成了承擔的科研任務。在給有關(guān)院所培訓人員的過程中,盡管我把所有的文獻資料、科研報告、用戶指南源程序等毫無保留的都轉(zhuǎn)交給他們,但是還是給不上力,他們?nèi)鄙俚恼潜緯幕A訓練。特別是2005年美國又出的原著的第三版提高了起點。第三版中譯本出版后許多戰(zhàn)斗在固體推進劑和高分子材料科研第一線的讀者反映看不懂、做不出習題。在這種情況下,我決定再版第一版中譯本,作為本書第一部分;第二部分收入了我的解讀稿的第2章和第5章,第三部分是第一版和第二版的習題詳解。目的是拋磚引玉,作者希望有更多的讀者認真學習第三版中譯本并完成第三版中譯本的全部習題。
原著的作者J.J.Aklonis是美國南方加州大學(UniuersityofSouthernCalifornia)的教授、W.J.Macknight是馬薩諸塞州大學(UniuersityofMaysachusetts)的教授、沈明琦是加州大學伯克萊分校(UniuersityofCaliforniaBerkeley)的教授。美籍華人沈明琦教授曾任伯克萊分校的校長。20世紀60年代,他們都是高分子物理方面的著名學者A.V.Tobolsky教授的研究生。本書是他們?yōu)楦髯匀谓虒W校的研究生開設的課程。沈教授曾于1979年春應邀來復旦大學講授黏彈性理論;孛绹蟛恍乙虬┌Y于1979年秋逝世,享年48歲。他在橡膠彈性理論、嵌段共聚物的力學性質(zhì)的理解以及等離子體聚合等各領域中作出了重要而最新的貢獻,他超凡的科學研究能力令人崇敬,英年早逝,十分可惜第三版中譯本由李怡寧譯、張德雄校,徐懋審,上海華東理工大學出版社2012年出版。華東理工大學邵志清教授審閱了第2章解讀和第2章習題詳解的部分內(nèi)容。特此致謝
李怡寧
2013年于上海華東理工大學
黏彈性是一個在概念上充滿爭議的非常復雜的課題。對這一課題,可能有兩種基本的研究方法,即連續(xù)介質(zhì)力學方法和分子方法。前者試圖用與物體的分子結(jié)構(gòu)無關(guān)的數(shù)學分析方法來描述物體的黏彈特性,而后者則試圖從分子結(jié)構(gòu)推論出整體的黏彈性質(zhì)。連續(xù)介質(zhì)力學方法在處理大量問題時已經(jīng)被證明是非常成功的,因而具有非常大的重要性。然而,在本教科書中我們不想嚴格地討論這個方法,相反,我們將討論分子方法。試圖提出一個讀者可藉以繼續(xù)深造的基礎。用分子方法所遇到的基本困難在于聚合物材料都是結(jié)構(gòu)非常復雜的大分子。這些結(jié)構(gòu)太復雜了,以致即使對它們有足夠詳細的了解,也不適于作數(shù)學分析,何況一般來說,對它們還知道得不夠詳細。因此必須求助于簡化了的結(jié)構(gòu)模型,但從這些模型推論出來的結(jié)果就必然受到模型本身正確性的限制。
關(guān)于分子的黏彈性,已有幾篇優(yōu)秀論著(見第1章參考文獻)。尤其是費里(Ferry)教授的著作有一個透徹而全面的闡述。因此讀者可能會提出一個問題:為什么還需要另外一本教科書,而在這本教科書里又只局限于本體無定形聚合物?這樣一個問題必然會使作者中的每一個人立即站出來尋找一個正面的、有分寸的辯白。問題的答案就在標題中使用的“引論”一詞上,我們所努力做的是在基本概念方面提供詳細的基礎訓練。例如,本書非常詳細地介紹所有的推導,介紹概念和模型時,特別注意到假設、簡化和條件限制;并且在每一章的末尾提供說明教科書要點的習題。數(shù)學難度是一般有學士學位的化學家所能夠理解的。需要更高數(shù)學技巧的地方,例如變換技巧,都在教科書中提出了必要的方法。
在努力描繪這本書是什么樣的書之后,讀者就可以了解到,首先,它不是一個全面的論述———書中沒有對結(jié)晶高聚物、溶液性能、融體流變學以及極限性質(zhì)等課題進行討論。其次,它也不是從連續(xù)介質(zhì)力學的方法來寫的,因此在數(shù)學上是不完善的。最后,它不是聚合物科學的入門書,它假定讀者已熟悉了這個領域的基本概念。作者們最初接觸聚合物黏彈性能的文獻時得到的感受,非常像文學藝術(shù)方面的初學者第一次讀到詹姆斯·喬伊斯的《芬尼根的蘇醒》①時所經(jīng)受的那樣。也就是說,一個人面對著一部偉大著作,很顯然,在達到鑒賞它之前,更不用說精通它之前,必須掌握它的語言藝術(shù)。喬伊斯的學者們認識了問題的本質(zhì),采取的辦法是進行分析,為研究《芬尼根的蘇醒》這部巨著提供一把萬能鑰匙。適當?shù)乩眠@把萬能鑰匙將打開那十分難懂的杰作的大門。為分子黏彈性方面的文獻提供一把同樣的萬能鑰匙是我們的目的。我們究竟能取得多少成功,必須留待讀者來評判。
感謝我們各自學院的學生們,他們接受了我們把本書的內(nèi)容分不同階段以緊湊連貫的形式進行講授所作的嘗試。他們的評論和意見已經(jīng)促成了一些重要的改進。我們也感謝威廉·喬克遜(WilliamJockson)夫人,她把許多粗糙的草圖畫成完美的圖樣。很難期望這種性質(zhì)的工作能夠避免錯誤。我們已經(jīng)盡可能地消除錯誤,對于殘留下的錯誤,當然我們承擔全部責任。
約翰·J·阿克洛尼斯
威廉·J·馬克尼特
沈明琦
于加利福尼亞州
洛杉磯市
第一部分 聚合物黏彈性引論(原著第一版)
第1章 引 言7
參考文獻13
第2章 黏彈性的唯象學論述14
。玻薄椥阅A浚保
。玻病∷沧冊囼灒保
2.3 動態(tài)試驗19
。玻础〔柶澛ǎ拢铮欤簦恚幔睿睿┑釉恚玻
。玻怠∪渥?nèi)崃亢蛻λ沙谀A恐g的關(guān)系29
2.6 靜態(tài)和動態(tài)性質(zhì)之間的關(guān)系32
附錄1 張力和剪切參數(shù)之間的關(guān)系式34
附錄2 波勒爾(Borel)定理37
習 題38
參考文獻39
第3章 時間—溫度等效原理40
。常薄○椥孕袨榈模磦區(qū)域40
。常病r間—溫度迭加原理47
。常场≈髑50
3.4。祝蹋品匠蹋担
3.5 黏彈性響應的分子解釋56
習 題58
參考文獻60
第4章 無定形聚合物的轉(zhuǎn)變與松弛61
。矗薄〔AЩD(zhuǎn)變的唯象學61
。矗病〔AЩD(zhuǎn)變的理論66
。矗玻薄∽杂审w積理論66
。矗玻病崃W理淪68
4.3 影響玻璃化轉(zhuǎn)變的結(jié)構(gòu)參數(shù)74
。矗础〔AB(tài)的松弛80
習 題84
參考文獻85
第5章 聚合物鏈的統(tǒng)計學86
。担薄【侥┒司啵福
。担病∧┒司嗟慕y(tǒng)計分布89
5.3 鍵角限制的影響94
。担础〗y(tǒng)計上等效的隨機鏈96
。担怠【酆衔镦湹臓顟B(tài)方程97
習 題100
參考文獻101
第6章 橡膠彈性102
6.1 熱力學分析102
。叮病〗y(tǒng)計分析108
。叮玻薄⊥茖В保埃
6.2.2 內(nèi)能的貢獻116
。叮场∥ㄏ髮W分析120
。叮础∮绊懴鹉z彈性的因素123
6.4.1 交聯(lián)度的影響123
。叮矗病∪苊浀挠绊懀保玻 6.4.3 填充劑的影響128
。叮矗础円鸬慕Y(jié)晶的影響132
習 題134
參考文獻136
第7章 黏彈性模型138
。罚薄×W單元138
7.1.1 麥克斯韋(Maxwell)模型139
。罚保病∥指裉兀ǎ郑铮椋纾簦┠P停保矗
。罚保场←溈怂鬼f—威切爾特(MaxwellWeichert)模型
147
7.1.4 沃格特—凱爾溫(VoigtKelvin)模型150
。罚病∷沙跁r間和推遲時間的分布151
7.3 分子理論154
。罚础∪嵝枣溎P驮谌芤悍矫娴膽茫保叮
。罚怠↓R姆(Zimm)修正164
7.6 本體聚合物的伸長166
附錄3 175
習 題179
參考文獻181
第8章 化學應力松弛182
。福薄》椒ǖ拇_定182
8.2 雙網(wǎng)絡理論183
。福场〔豢赡骀溓袛啵保福
8.4 可逆鏈切斷188
。福怠』瘜W永久變定191
。福丁⊙趸到猓保梗
。福贰』Q網(wǎng)絡:聚硫化物196
附錄4 201
總 目 錄 ·?·
習 題203
參考文獻204
習題答案205
主要符號一覽表224
作者索引231
主題索引236
第二部分 聚合物黏彈性引論部分解讀
第2章 黏彈性的唯象學論述解讀249
第5章 聚合物鏈的統(tǒng)計學解讀294
第三部分 聚合物黏彈性引論第一版、第二版習題詳解
第2章 黏彈性的唯象學論述習題詳解325
第3章 時間—溫度等效習題詳解339
第4章 無定形聚合物的轉(zhuǎn)變與松弛習題詳解359
第5章 聚合物鏈的統(tǒng)計學習題詳解364
第6章 橡膠彈性習題詳解389
第7章 黏彈性模型習題詳解401
第8章 化學應力松弛習題詳解414
第二版 第2章補充習題詳解418
第二版 第3章補充習題詳解427
第二版 第4章補充習題詳解431
第二版 第5章補充習題詳解434
第二版 第7章補充習題詳解436
第二版 第8章介電松弛習題詳解440
附錄1 介電松弛的概念及理論445
附錄2 介電系數(shù)的分子機理450