1、第七章 高聚物的力学性质,高分子材料,导弹、核武器、宇航等军用复合材料,飞机的地板材料、整流罩、机体门窗、内装饰等,光缆、电缆,赛艇、桨、羽毛球拍,管、齿型带、三角带,轮胎、胶带、胶鞋,用途广泛,高分子材料在使用中，必须具备必要的力学性能,高聚物的极限力学行为 屈服、破坏（断裂）,第一节 玻璃态和结晶态高聚物的力学性质,1.1描述力学性质的基本物理量,1. 应力和应变,应变：材料几何形状和尺寸的变化为应变。(Stress),应力：单位面积上的附加内力为应力。 (Strain),对于各向同性的材料，受力方式不同，发生形变的类型也将不同。,. 简单拉伸,真应变,（2）. 简单剪切,切应变：,剪切应
2、力：,(3). 均匀压缩,围压力: P,体积从V0变为：,均匀压缩应变：单位体积的体积减小,弹性模量,对于理想的弹性固体，应力与应变成正比，比例常数称为弹性模量,杨氏模量,剪切模量,体积模量,三种模量之间的关系,泊松比，在拉伸实验中，材料横向单位宽度的减少与 纵向单位长度的增加之比值。,模量的倒数,杨氏模量的倒数 拉伸柔量 D 剪切模量的倒数 剪切柔量 J 体积模量的倒数 可压缩度,机械强度,所受外力超过了材料的承受能力，材料就要发生破坏，机械强度就是材料抵抗外力破坏的能力。在各种实验应用中，机械强度是材料力学性能的重要指标。对于各种不同的破坏力，有不同的强度指标。,力学性能指标,1.2 几种
3、常见力学性能指标,1.拉伸强度: (Tensile Strength) 在规定温度、湿度和一定速度的情况下，在标准试样上沿轴向施加拉伸载荷，直到试样断裂为止。 拉伸强度：拉伸模量：,2. 弯曲强度: (Bend Strength)在两支点间的试样上施加集中载荷，使试样变形直至破裂时的载荷称为弯曲强度。,弯曲强度,弯曲模量,3. 冲击强度: (Impact Strength)在高速冲击状态下,标准试样在断裂时,单位面积所吸收的能量。冲击强度：,4.硬度: (Hardness)硬度的大小与材料的抗张强度和弹性模量有关，其是衡量材料表面抵抗机械压力的能力的一种指标。,1.3 几类高聚物的拉伸行为,1
4、. 玻璃态高聚物的拉伸,B点 屈服点 屈服应力 C点 断裂点 断裂应力 断裂伸长率,拉伸过程的分子运动,曲线起始阶段 虎克弹性体，应力与应变成正比。形变是由高分子的键长键角的变化引起。脆性断裂,屈服点以后，材料的大形变 链段运动 韧性断裂 高弹形变,玻璃态高聚物的强迫高弹形变,玻璃态高聚物在大外力的作用下发生的大形变强迫高弹形变,外力作用的松弛时间与应力的关系:,影响强迫高弹形变的因素: 外力的大小 温度的影响 作用速度的影响 结构因素的影响 分子量的大小也有影响,加大外力与升高温度相似,脆化温度：其是一个特征温度，用 Tb 表示，当温度低于 Tb 时，玻璃态高聚物不能发生强迫高弹形变，而必定
5、发生脆性断裂，因此称 Tb 为脆化温度。 (Brittle Temperature) 玻璃态高聚物只有在 Tb Tg 之间的温度范围内，才能在外力作用下实现强迫高弹形变，而强迫高弹形变又是塑料具有韧性的原因，因此 Tb 是塑料使用的最低温度。,结晶高聚物的拉伸,曲线形状 对拉伸过程的解释 结晶高聚物与非晶玻璃态高聚物在拉伸情况下的表现相似，本质上都是高弹形变。 差别：可被冷拉的温度范围及聚集态结构的变化不同。,硬弹性材料的拉伸 (Hard Elastic Materials),聚丙烯和聚甲醛等易结晶的高聚物熔体，在较高的拉伸力场中结晶时，可以得到很高弹性的纤维和薄膜材料，其弹性模量比一般橡胶高
6、很多，因而称为硬弹性材料。,E.S.Clark能弹性机理,硬弹性的表面能机理,硬弹性主要是由形成纤维的表面能改变所贡献,应变诱发塑料橡胶转变 (Strain-induced plastics-to-rubber transition),1.4 高聚物的屈服,1. 高聚物单轴拉伸的应力分析：,试样受到拉力时，试样内部任意截面上的法应力和切应力只与试样的正应力和截面的倾斜角有关。,当 = 45时，切应力出现最大值； 当 = 0 时，法应力出现最大值。,真应力应变曲线及其屈服判据,如试样变形时体积不变， 再定义伸长比,在 对 曲线上, 达最大值时，试样开始成颈，习用应力下降，最后试样在细颈的最窄部位
7、断裂。而在 对 曲线上, 却随 的增加单调的升高，试样成颈时， 并不出现极大值。,真应力应变曲线的类型：,屈服点判据：在屈服点，曲线出现拐点d /d = 0,在 = -1 处向 - 曲线作切线，切点就是屈服点。,表示在 = -1 点，不可能向 - 曲线作切线，这种高聚物在冷拉时不能成颈，高聚物随拉力的增大而均匀伸长。,表示在 = -1 点，可以向 - 曲线作切线，这种高聚物有屈服和成颈，高聚物随拉力的增大最后断裂。,表示在 = -1 处，可以向 - 曲线作两条切线，D 为屈服点，E 点之后高聚物出现冷拉现象。,1.5 高聚物的破坏和理论强度,1. 高聚物的破坏 化学键的破坏 分子间的滑脱 分子
8、间力的破坏,高聚物之所以能够抵抗外力的破坏 主要靠分子内的化学键合力和分子间的范德华力和氢键,理论强度,(1). 化学键的破坏：实际强度比理论值小几十倍。 (2). 分子间的滑脱：无单纯由分子间滑脱引起的断裂。 (3). 分子间力的破坏：理论强度与实际强度属同数量级。,1.6 影响高聚物实际强度的因素,与材料本身有关的：化学结构、分子量及其分布、支化和交联、结晶与取向等 与外界条件有关的： 温度、湿度、光照、老化、作用力的速度等,1.分子结构本身的影响,极性基团或氢键的密度愈大，则强度愈高 低压聚乙烯 1516MPa 聚氯乙烯 50 MPa 尼龙610 60MPa 尼龙1010 80MPa,主
9、链含有芳杂环的高聚物：其强度和模量都比脂肪族高，引入芳环侧基时，强度和模量也会提高。 分子链有支化的高聚物：支化使分子间距离增加，支化程度增大，高聚物的拉伸强度降低，冲击强度升高。 适度交联的高聚物：适度交联可以提高抗张强度。 高聚物分子量的影响：强度随分子量的增大而升高。但当分子量足够大时，拉伸强度与分子量无关，冲击强度继续增大。 分子量分布的影响：其中低分子量部分使强度降低。,2.结晶和取向的影响,结晶度影响：结晶度增加，对提高拉伸强度、弯曲强度和弹性模量有利；但如果结晶度太高，则会使冲击强度和断裂伸长率降低。 球晶结构的影响：大球晶通常使冲击强度和断裂伸长率降低；小球晶使拉伸强度、模量和
10、断裂伸长率降低。 结晶形态的影响：由伸直链组成的纤维状晶体，其抗张性能较由折叠链组成的晶体优越得多。 取向的影响： 取向使聚合物材料产生各向异性和在取向方向上的强度增加。在取向方向上，抗张强度、屈服应力和模量比未取向时高 2 5 倍， 但垂直方向的强度却低于未取向时的 2 3 倍。,3. 应力集中物的影响,应力集中：如果材料存在缺陷，使其在受力时内部应力分布不平均，缺陷附近范围内的应力急剧增加，远远大于平均值，这一现象称应力集中。,缺陷：就是应力集中物，包括裂缝、空隙、缺口、银纹和杂质,缺陷的形状不同，应力集中的系数（最大局部应力与平均应力的比值）也不同，锐口的缺陷应力几种系数比顿口的要大。,
11、很多热塑性塑料在储存以及使用过程中，由于应力以及环境的影响，往往会在表面出现裂纹，这些裂纹由于光的折射，看上去是发亮的，所以称为银纹。,应力发白：塑料在拉伸变形或弯曲变形时试样有发白现象，在受到冲击的破坏面也能看到发白的现象。,4.增塑剂的影响,增塑剂的加入，对聚合物起到了稀释作用，使高分子链之间的作用力减小，带来强度的降低。一般加入增塑剂会使材料的抗张强度、模量等降低，而断裂伸长率和冲击强度则随之升高。,水是一种广义的增塑剂,5.填料的影响,填料有两种即惰性填料和活性填料。,惰性填料：只起到稀释的作用。 降低成本，但也会使 材料的强度有所降低。 活性填料：能够显著提高材料的性能。,填料的增强程度与填料本身的强度及其与高聚物的亲和力大小有关。,.粉状填料： .纤维状填料：,填料：,6.共聚和共混的影响,共聚可以综合两种以上均聚物的性能。,聚苯乙烯,ABS,共混也是一种很好的改性方法，通过共混可以得到某些特定性能的高聚物。共混材料有两相存在：即塑料相和橡胶相。,高聚物是粘弹性材料，所以其破坏过程是一种松弛过程。因此外力作用速度和温度对高聚物的强度有影响。,7.外力作用速度和温度的影响,课堂测试（二）,1、高聚物分子热运动的主要特点 2、简述高聚物的三种力学状态及其对应的分子运动情况 3、高分子粘性流动的主要特点 4、什么是熔融指数,
