1、第六章 高聚物的力学性能,1 概述1-1 描述力学性能的基本物理量1-2 高聚物力学性能的特点 2 高聚物的拉伸行为2-1 应力应变曲线2-2 玻璃态非晶高聚物的拉伸2-3 结晶高聚物的拉伸2-4 真应力-应变曲线几其屈服判据 3 高聚物的强度,1概述 1-1 描述力学性质的基本物理量,应力;应变(形变);模强度;硬度等 拉伸强度(断裂强度);断裂伸长率三种基本的应变类型简单拉伸 简单剪切 均匀压缩,三种基本应变的模量,拉伸:杨氏模量 E (MPa)-应力-应变F-拉伸力AO-试样原始截面积lO-试样原始长度l-伸长长度,三种基本应变的模量,剪切: 剪切模量:G (MPa) s 剪切应力 剪切
2、应变 = tg ,三种基本应变的模量,压缩:体积模量 B (Kg)P 流体静压力 V 体积变化VO 原始体积,三种应变模量的关系,对于各向同性的材料有E = 2G (1+) = 3B (1-2 ) (泊松比):横向形变与纵向形变之比一般材料约为0.20.5注意!上述四个参数中只有两个是独立的,不同材料的泊松比,常用的几种力学强度,拉伸强度t= P/bd (最大负荷/截面积)Mpa 1 Mpa = 9.8 kg/cm2 10 kg/cm2 弯曲强度 f = 1.5(Plo/bd) MPa冲击强度 i = W/bd Kg cm/cm2注意!不同方法测量结果会有不同,常见塑料的拉伸和弯曲强度,1-2
3、 高聚物力学性能的特点,高弹性高聚物特有显示高弹性的温度范围(TgTf)分子量 温度范围(TgTf)增宽(TgTf)的范围决定了橡胶的使用温度范围,1-2 高聚物力学性能的特点,粘弹性力学行为对温度和时间有强烈的依赖关系为高聚物独特的力学行为(应力)(应变) 在研究高聚物力学行为T(温度) 时必须同时考虑t(时间),1-2 高聚物力学性能的特点,比强度特高比强度单位重量材料能承受的最大负荷,几种金属材料和塑料(增强)的比强度,2 高聚物的拉伸行为,11 应力 应变曲线最常用于描述高聚物的力学性能应力应变曲线的形状取决于:化学组成 ,结构化学结构 分子量及其分布支化交联结局及取向物理结构 晶区大
4、小与形状加工形态试验测试条件温度、速率等,典型的曲线,典型的曲线,屈服点Y : d /d = 0Y前部弹性区域 E大形变小可逆Y后部塑性区域 E小形变大不可逆 拉伸(断裂)强度X屈服点Y前断裂脆性断裂屈服点Y后断裂韧性断裂,2 2 玻璃态非晶高聚物的拉伸,温度影响a) T Tg 进入高弹态、形变大不出现屈服点,2 2 玻璃态非晶高聚物的拉伸,2 2 玻璃态非晶高聚物的拉伸, 拉伸速率的影响断裂强度 拉伸速率 相当于温度 断裂伸长率拉伸速率 相当于温度,2 2 玻璃态非晶高聚物的拉伸, 受迫高弹态 有些玻璃态高聚物在大应力作用下 能产生大的形变(高弹形变) 产生原因:外力使链段运动松弛时间E:
5、活化能 :外力 : 材料常数 : 松弛时间 R : 气体常数 T : 温度, 受迫高弹态,出现条件屈服应力Y 断裂应力X温度范围 TbTTgTb为脆化温度拉伸速率适当,23 结晶高聚物的拉伸,曲线可分为三个阶段 试样均匀拉伸应力随应变线性 至Y 出现”细径”并不断扩展, 应力几乎恒定 成径后继续均匀拉伸, 应力 直至断裂,2-3 结晶高聚物的拉伸,分子机理:发热软化理论 外力作用 缩径区分子链取向 构象熵 S 减小 , S0 放热 缩径区附近温度 屈服强度 容易变形使缩径进一步扩大,2-4 真应力-应变曲线及其屈服判据,拉伸形变时截面积生变化 使若形变时体积不发生变化则有令:伸长比则有:,2-
6、4 真应力-应变曲线及其屈服判据,按照定义:屈服点为则有:为 曲线上屈线的斜率,2-4 真应力-应变曲线及其屈服判据,当,3 高聚物的强度 3-1 拉伸强度,高聚物的理论强度化学键破坏高聚物拉断 分子间滑脱次价力破坏,高聚物的理论强度,化学键破坏分析思路共价键的键能每根键的键能拉断一根键的力拉断单位面积的力(拉断强度)* C-C键的键能U: 350千焦/克分子* 每根键的键能: E=U/N6*10-12尔格/键* 共价键的原子位移:* 拉断一根键的力: F=E/d4*10-4达因/键,高聚物的理论强度,化学键破坏PE的理论强度由PE晶胞计算得每cm2有5*1014根分子链 (4*10-4达因/
7、键)*(5*1014键/cm2) 2*105 kg/cm2PE 的实际强度: 200400 kg/cm2,高聚物的理论强度,分子间滑脱 分子链之间的次价力(氢+范)全部破坏 一般 5A长度之间的次价力约为20千焦/克分子 1000A长的分子链之间的次价力可达: 4000千焦/克分子11U对于不存在氢键的情况其作用为 3U,高聚物的理论强度,次价力破坏局部破坏 氢键解离能 20 kJ/mol 作用距离 3A破坏一个氢键约需作用力: 110-10牛顿/个 范德化力解离能 8 kJ/mol 作用距离 4A破坏一个范德化力约需: 310-11牛顿/个 假定在 25A2上有一个氢键和一个范德化力 理论强
8、度: 氢键作用 3103 kg/cm2 范德化力作用 1103 kg/cm2 与高度取向纤维的强度达到同一数量级液晶聚芳酯纤维 1176 kg/cm2,高聚物的理论强度,高聚物破坏的过程首先在未取向部分的次价力(局部)被破坏然后由于应力集中使分子主链(局部)断裂最后继续由于应力集中使出现宏观上的断裂,3-1 拉伸强度 影响聚合物强度的因素,高聚物分子结构的影响* 增加分子链间的作用力可提高拉伸强度* 引入极性基团和形成氢键的基团聚酰胺(氢键) 聚氯乙烯(极性基团)聚异丁烯* 刚性链的结构因素使和 E 均, 影响聚合物强度的因素,结晶、取向和交联 结晶使分子间排列紧密分子间作用力 取向分子链协同
9、作用 适度交联使分子间作用力 过度交联将使材料变脆弱, 影响聚合物强度的因素 分子量的影响,原因:分子链的链端对强度无贡献 分子量越高端链所占比例越少,强度越高 极性聚合物(PA等)分子量应达 20000或以上 非极性聚合物(PE等)分子量应达 50000或以上, 影响聚合物强度的因素 共聚和共混,共聚和共混是改善力学性能的重要手段脆性聚合物 + 韧性聚合物两相体系PS共混HIPS(高抗冲聚苯乙烯)PS三元共聚ABS, 影响聚合物强度的因素 增塑剂和填充料,增塑剂加入使分子间作用惰性填料(CaCO3等)降低成本 填料 活性填料(碳黑等) 增强作用功能性填料赋于高聚物某些特殊的功能阻燃性: Mg
10、(OH)2 ;Al(OH)3 等减摩润滑性: 石墨;二硫化钼等导电性: 导电碳黑 ,金属粉等磁性: 铁氧体,稀土类元素隔音性: 高密度金属粉压电性: 钛酸锆钛酸铅等, 影响聚合物强度的因素 应力集中, 影响聚合物强度的因素 应力集中,当 a = b 时 t 3o当 a b 时 t 10o 甚至更大, 影响聚合物强度的因素,拉伸温度影响: T 拉伸速度影响: 速度屈服强度提高(降低)拉伸速率降低(升高)拉伸温度,3-2 冲击强度(韧性),影响冲击强度的因素结晶性: 高弹态下结晶的存在使冲击强度玻璃态下结晶的寸在使冲击强度填充料: 纤维状填充料可提高冲击强度粉末状填充料一般使冲击强度温度: 热塑性塑料在 Tg附近 T冲击强度热固性塑料温度影响不明显增塑剂: 加入后冲击强度但拉伸强度,3-2 冲击强度(韧性),高聚物的增韧开发高韧性(高拉伸强度)聚合物工程塑料聚碳酸酯,聚砜.聚芳酯等 对通用塑料改性增韧常用方法是橡胶增韧塑料,3-2 冲击强度(韧性),1区: TTg(橡胶)强度开始增加部分断面粗糙 3区: TTg(橡胶)韧性,强度速增加断面平滑,拉伸速度对增韧PS力学性能的影响,