高聚物材料在受力形变过程中由于内部分子聚集结构的变化会导致各种形式的热生成,包括粘性摩擦引起的耗散热、分子链排列结构发生变化的构象熵热及结晶热焓。当材料样品足够厚或形变速率足够快,即近似绝热的情况下,这些热可致材料温度发生变化,基于这种温度的变化特征我们可以获得材料分子结构和分子运动的信息。本文采用红外热成像技术(IRT),用于在线跟踪高聚物材料在拉伸形变过程的热效应特征,建立一种新的材料受力形变的热力学分析方法,并揭示材料的各种形变机理及分子结构演变特征。本文研究包括高聚物受力塑性变形和弹性变形的各种热效应特征,内容涉及到：(1)均匀塑性变形的热弹效应与塑性热特征超高分子量聚乙烯(UHMWPE)样条的单轴拉伸是个典型的均匀塑形变形过程,形变经历了两个特征阶段,起始的弹性变形和屈服后均匀塑性大变形。红外热成像技术跟踪整个形变过程温度变化,发现起始弹性小形变阶段样条有一个明显的微小温度下降,进入塑性屈服大形变阶段材料温度才逐渐升高,而且相同拉伸比时的温升与形变速率无关。基于这种先降后升的温度变化特征,通过热力学方法推导出影响起始的弹性变形温度变化的关系式dT=-α/(?)·T0·dσ,解释了起始弹性温度降低与UHMWPE材料正的热膨胀系数有关,于是利用这种热弹效应我们建立了种新的测试材料线性热膨胀系数的方法：α=-ρ·Cp/T0·dT/dσ,实验测试结果与热膨胀计法测试得到的材料线性热膨胀系数具有很好的一致性。当形变进入均匀塑性大变形阶段,温度逐步升高可能由摩擦耗散、结晶或构象变化所致,但相同拉伸比温升不依赖形变速率,表明UHMWPE大的塑性变形本质上是一种强迫高弹形变。(2)非均匀塑性变形的“颈缩”热效应聚丙烯(PP)纤维和聚酯(PET)纤维在拉伸形变过程具有明显的颈缩现象。我们通过红外热成像技术研究这种颈缩过程的热效应,实验利用一种特殊的18um微焦镜头可以同时测试纤维的温度与直径的变化。红外热像图显示纤维温度变化仅只在成颈区域发生,而成颈区域最高温度一直随着纤维成颈点不断发生迁移。随着拉伸速率的提高,纤维成颈区域的温升也增大,可以超过环境温度40-80℃。尽管成颈区域不断迁移,但在给定的拉伸速率下,成颈区域的温度梯度被注意到始终保持恒定的,因此过程形变热可采用热导率的公式Q=K·A·dT/dx·dt求得。通过热力学第一定律分析,可发现PP纤维颈缩阶段内能不断增加,分析可能是由于发生结晶的熔化、新的缺陷界面的形成、以及储存了弹性应变能的原因。而PET纤维颈缩阶段内能下降,可能是由于PET形变诱导结晶所致。同时对比PP和PET纤维在相同拉伸速率下成颈区域温度,明显PET的温升要高于PP的温升。通过差示扫描量热(DSC)结果分析,成颈前后PET的结晶度变化要大于PP的变化,这个证实了PET纤维成颈温度除因为塑性耗散作用外,结晶热焓不容忽视。(3)橡胶弹性体的热弹转变及弹性热力学分析红外热成像技术用于研究天然橡胶(NR)和丁腈橡胶(NBR)的形变热效应特征,几个显著的温度变化特征被注意到：(1)橡胶拉伸过程,温度在升高之前会有一个微小的下降,具有明显的热弹转变效应特征；(2)在连续拉伸-回复过程中,第一次循环过程温度变化只有部分可逆性,表现出橡胶的粘弹性能；(3)经历第一次拉伸-回复过程温度有一定的升高,而随后的拉伸-回复循环过程温度具有几乎完全的可逆性。这些热效应现象揭示了橡胶形变分子结构运动与演变特征。显然碳黑填充橡胶经初始拉伸有明显的分子链滑移与重构,这个导致交联点间链段更加均匀化。初次循环温度的变化具有速率依赖性,表现出了粘弹性质。而重构化的结构更符合理想的弹性结构,温度不再具有速率依赖性。经多次拉伸的橡胶样品的形变基本上达到了热力学平衡状态,这样可通过建立热力学的方法研究橡胶的弹性本质,实验利用橡胶热弹转变效应特征内能对橡胶弹性的贡献也能被测试得到,结果表明：在小应变时,内能相对于弹性的贡献(△U/W)P,T随拉伸比迅速减小,随着拉伸比增大,最后趋于恒定值。这主要是由于内能变化除与分子内本身构型有关,还与分子间的相互作用有关。但当λ>4时,NR的(△U/W)P,T值有明显的下降趋势,内能对弹性的贡献为负值,这可能主要是由于NR的拉伸诱导结晶所致。(4)热塑性弹性体的循环拉伸-回复热效应聚氨酯(PU)弹性纤维是一种典型的热塑性弹性体,红外热成像技术研究干纺、熔纺及纳米填充聚氨酯弹性纤维的拉伸-回复过程温度变化,几个相同的热效应特征被注意到：(1)弹性样条拉伸时温度升高,回复时温度降低,这与弹性体典型的熵弹性本质相关；(2)在第一次拉伸-回复循环中出现了一个大的不能回复的温度值,而随后几次循环中,拉伸与回复的温度变化基本相同；(3)第一次拉伸过程的温度变化值明显高于随后几次拉伸过程中的温度变化值。为了更好的理解这些热效应特征,实验借助一个简单的高弹-粘弹模型加以解释。几种弹性体热效应不同之处在于：干纺聚氨酯弹性纤维初次拉伸-回复温度差值要大于熔纺聚氨酯,可能是因为干纺聚氨酯内部的氢键密度更大,物理交联点数目更多,拉伸过程中结构变化需要克服更大摩擦阻力的原因。同样纳米填充的聚氨酯弹性体比未填充的初始拉伸-回复温度差值要大,是因为纳米粒子与聚氨酯基体间氢键作用,从而能在高分子链间形成更多物理交联点,使得形变过程中分子链运动受到更大的粘性摩擦阻力,而这种粘性摩擦损耗对聚氨酯弹性体的耐疲劳性能会有很大的改进。