11-3 聚合物的斷裂與強(qiáng)度ppt課件

1、111.3 聚合物的斷裂與強(qiáng)度聚合物的斷裂與強(qiáng)度主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：聚合物的強(qiáng)度聚合物的強(qiáng)度聚合物的斷裂形式聚合物的斷裂形式格理非斯斷裂理論格理非斯斷裂理論本講重點(diǎn)及要求：掌握聚合物的強(qiáng)度及格理非斯斷裂理論本講重點(diǎn)及要求：掌握聚合物的強(qiáng)度及格理非斯斷裂理論。掌握聚合物強(qiáng)度掌握聚合物強(qiáng)度和韌性的影響因素、增強(qiáng)和增韌的方法與機(jī)理。和韌性的影響因素、增強(qiáng)和增韌的方法與機(jī)理。教學(xué)目的：了解材料的破壞形式和理論，指導(dǎo)材料的制備、選材、改性、加教學(xué)目的：了解材料的破壞形式和理論，指導(dǎo)材料的制備、選材、改性、加工和使用。工和使用。211.3 聚合物的斷裂與強(qiáng)度聚合物的斷裂與強(qiáng)度強(qiáng)度是指物質(zhì)抵抗破強(qiáng)度是指物質(zhì)

2、抵抗破壞的能力壞的能力如何區(qū)分?jǐn)嗔研问?？如何區(qū)分?jǐn)嗔研问?？關(guān)鍵看屈服屈服前前斷脆脆性斷裂屈服后后斷韌韌性斷裂3相比于脆性斷裂，韌性斷裂的斷裂面較為相比于脆性斷裂，韌性斷裂的斷裂面較為 斷裂伸長率較斷裂伸長率較試樣發(fā)生脆性或者韌性斷裂與材料組成有關(guān)，除此之外，同一材料是發(fā)生脆試樣發(fā)生脆性或者韌性斷裂與材料組成有關(guān)，除此之外，同一材料是發(fā)生脆性或韌性斷裂還與溫度性或韌性斷裂還與溫度T 和拉伸速度和拉伸速度 有關(guān)有關(guān)。4材料的斷裂方式分析材料的斷裂方式分析理論值理論值5在斷裂時三種方式兼而有之，通常聚合物理論斷裂強(qiáng)度在幾千在斷裂時三種方式兼而有之，通常聚合物理論斷裂強(qiáng)度在幾千MPa，而實(shí)際只有幾十而

3、實(shí)際只有幾十Mpa 。WHY？e.g.PA, 60 MPaPPO, 70 MPatheoryeriment)100011001(exp6Comparing of brittle and ductile fractures（分析判斷）分析判斷）脆性斷裂脆性斷裂韌性斷裂韌性斷裂屈服屈服 - 線線 b斷裂能斷裂能斷裂表面斷裂表面斷裂原因斷裂原因7脆韌轉(zhuǎn)變溫度脆韌轉(zhuǎn)變溫度 TbTb is also called brittle temperature.Brittle ductile transition 脆韌轉(zhuǎn)變脆化溫度，脆化點(diǎn)脆化溫度，脆化點(diǎn)在一定速率下（不同溫度）測定的斷裂在一定速率下（不同溫度）

4、測定的斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力，作斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)應(yīng)力和屈服應(yīng)力，作斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力隨溫度的變化曲線力隨溫度的變化曲線斷裂應(yīng)力斷裂應(yīng)力屈服應(yīng)屈服應(yīng)力力8斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力誰對應(yīng)變速率更敏感？斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力誰對應(yīng)變速率更敏感？9脆脆性斷裂和韌韌性斷裂判斷TTb, 先達(dá)到 y，韌韌性斷裂10Application對材料一般使用溫度一般使用溫度為哪一段？T TbTb越低材料韌性越越低材料韌性越11TbTgTfTdThree statesTgTf12Example PC聚碳酸酯Tg=150CTb=-20C室溫下易不易碎？13Example PMMA聚甲基丙烯酸甲酯Tg=100CTb=90C室溫下脆還是

5、韌？14The influence on Tb（1）增加應(yīng)變速率增加應(yīng)變速率，脆化溫度如何變化？（2）存在缺口存在缺口，形成應(yīng)力集中，趨向于脆性，脆化溫度升高。1511.3.2 聚合物的拉伸強(qiáng)度屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度中國統(tǒng)一使用拉伸強(qiáng)度tbdPtb-試樣厚度，d-試樣寬度P-最大載荷16影響拉伸強(qiáng)度的因素主要方式主要方式化學(xué)鍵斷裂所需力最大分子間扯離分子間扯離所需力最小所需力最小通過斷裂形式分析：分子之間相互作用大小對強(qiáng)度影響最大通過斷裂形式分析：分子之間相互作用大小對強(qiáng)度影響最大17考慮分子結(jié)構(gòu)因素考慮分子結(jié)構(gòu)因素極性基團(tuán)或氫鍵極性基團(tuán)或氫鍵主鏈上含芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)主鏈上含芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)適度

6、的交聯(lián)適度的交聯(lián)結(jié)晶度大結(jié)晶度大取向好取向好拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度 t加入增塑劑加入增塑劑缺陷存在缺陷存在18考慮外界因素考慮外界因素溫度低溫度低應(yīng)變速率大應(yīng)變速率大拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度 t1911.3.3 Griffith crack theory斷裂理論斷裂理論為什么材料的實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度？為什么材料的實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度？存在缺陷存在缺陷為什么在缺陷處斷裂？為什么在缺陷處斷裂？缺陷處應(yīng)力集中缺陷處應(yīng)力集中缺陷處應(yīng)力多大？缺陷處應(yīng)力多大？Griffith theory20無限大平板中橢圓形裂縫的應(yīng)力集中無限大平板中橢圓形裂縫的應(yīng)力集中考察橢圓周圍什么地方受力最大？應(yīng)力集中處（多大？）應(yīng)力

7、集中處（多大？）Ellipsoidab21公式表達(dá)公式表達(dá))21 (0bat對圓形，a=b03t對橢圓，a增加，b減小t劇烈最終結(jié)果就是斷裂橢圓孔長軸的兩端點(diǎn)應(yīng)力最大22Griffith crack theory 斷裂理論斷裂理論討論什么時候裂紋開始擴(kuò)展討論什么時候裂紋開始擴(kuò)展aEJcE-材料的彈性模量材料的彈性模量J-拉伸過程中材料所吸收的能量拉伸過程中材料所吸收的能量a-裂縫長度的一半裂縫長度的一半裂縫擴(kuò)展的臨界應(yīng)力裂縫擴(kuò)展的臨界應(yīng)力Griffith從能量平衡的觀點(diǎn)分析斷裂過程，結(jié)果：從能量平衡的觀點(diǎn)分析斷裂過程，結(jié)果：23應(yīng)力強(qiáng)度因子應(yīng)力強(qiáng)度因子K1和臨界應(yīng)力強(qiáng)度和臨界應(yīng)力強(qiáng)度K1cEJ

8、aKcIcCritical stress intensity KIcStress intensity factor K1aK1E-彈性儲存能；J-拉伸過程中材料所吸收的能量為裂紋擴(kuò)展阻力阻力為裂紋擴(kuò)展動力動力力越強(qiáng)，大；裂縫越長，a越大24Discussion臨界應(yīng)力強(qiáng)度KIc應(yīng)力強(qiáng)度因子K1裂紋擴(kuò)展阻力裂紋擴(kuò)展動力臨界應(yīng)力強(qiáng)度KIc應(yīng)力強(qiáng)度因子K1裂紋穩(wěn)定穩(wěn)定臨界應(yīng)力強(qiáng)度KIc應(yīng)力強(qiáng)度因子K1裂紋擴(kuò)展擴(kuò)展25Exercise現(xiàn)有一塊有機(jī)玻璃現(xiàn)有一塊有機(jī)玻璃(PMMA)板，內(nèi)有長度為板，內(nèi)有長度為10mm的中心裂紋，該板受到一個均勻的中心裂紋，該板受到一個均勻的拉伸應(yīng)力的拉伸應(yīng)力 =450*1

9、06N/m2的作用力。已知該材料的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子的作用力。已知該材料的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KIc=84.7*106N/m2.m1/2,安全系數(shù)安全系數(shù)n=1.5,問板材結(jié)構(gòu)是否安全？問板材結(jié)構(gòu)是否安全？aK1a =10mm/2=5*10-3m2/126361/10*4 .5610*5*10*450mmNK臨界應(yīng)力強(qiáng)度KIc應(yīng)力強(qiáng)度因子K1裂紋穩(wěn)定穩(wěn)定2611.3.4 增強(qiáng)增強(qiáng) Reinforcement活性粒子（活性粒子（ Powder）纖維纖維 Fiber液晶液晶 Liquid CrystalFiller填料增強(qiáng)途徑增強(qiáng)途徑C ，SiO2Glass fiber, Carbon fiberPol

10、yester27（1）活性粒子增強(qiáng)）活性粒子增強(qiáng)Carbon black reinforcement橡膠+碳黑增強(qiáng)機(jī)理：活性粒子吸附大分子，形成鏈間物理交聯(lián)，活性粒子起物理交聯(lián)點(diǎn)的作增強(qiáng)機(jī)理：活性粒子吸附大分子，形成鏈間物理交聯(lián)，活性粒子起物理交聯(lián)點(diǎn)的作用。用。惰性填料怎么辦？例：惰性填料怎么辦？例：PVC+CaCO3，PP+滑石粉滑石粉28（2）纖維增強(qiáng)）纖維增強(qiáng)Glass steel boatglassy fiber+polyester增強(qiáng)機(jī)理：纖維作為骨架幫助基體承擔(dān)載荷增強(qiáng)機(jī)理：纖維作為骨架幫助基體承擔(dān)載荷例：尼龍例：尼龍+玻纖玻纖/碳纖維碳纖維/晶須晶須/硼纖維硼纖維增強(qiáng)效果與纖維的

11、長度、纖維與聚合物之間的界面粘接力有關(guān)增強(qiáng)效果與纖維的長度、纖維與聚合物之間的界面粘接力有關(guān)29Racing bicycleCarbon fiber30（3）液晶原位增強(qiáng)）液晶原位增強(qiáng)增強(qiáng)機(jī)理：熱致液晶中的液晶棒狀分子在共混物中形成微纖結(jié)構(gòu)而到增強(qiáng)作增強(qiáng)機(jī)理：熱致液晶中的液晶棒狀分子在共混物中形成微纖結(jié)構(gòu)而到增強(qiáng)作用。由于微纖結(jié)構(gòu)是加工過程中由液晶棒狀分子在共混物基體中就地形成的，用。由于微纖結(jié)構(gòu)是加工過程中由液晶棒狀分子在共混物基體中就地形成的，故稱做故稱做“原位原位”復(fù)合增強(qiáng)。復(fù)合增強(qiáng)。熱致液晶熱致液晶+熱塑性聚合物熱塑性聚合物共聚酯，共聚酯， 聚芳酯聚芳酯Xydar, Vector, R

12、odrum3111.3.5 聚合物的韌性與增韌聚合物的韌性與增韌（1） 沖擊強(qiáng)度沖擊強(qiáng)度 Impact strength是衡量材料韌性的一種指標(biāo)dbWi沖斷試樣所消耗的功沖斷試樣的厚度和寬度增韌劑： elasticizer, plasticizer, softener32（2） 影響沖擊強(qiáng)度的因素影響沖擊強(qiáng)度的因素韌性好壞順序韌性好壞順序曲線下的面積代表所吸收能量曲線下的面積代表所吸收能量因素因素強(qiáng)度強(qiáng)度延展性延展性33Discussion強(qiáng)度強(qiáng)度延展性延展性分子間作用力分子間作用力分子鏈柔順性分子鏈柔順性極性基團(tuán)或氫鍵極性基團(tuán)或氫鍵有支鏈結(jié)構(gòu)有支鏈結(jié)構(gòu)適度交聯(lián)適度交聯(lián)結(jié)晶度大結(jié)晶度大雙軸取向

13、雙軸取向加入增塑劑加入增塑劑韌性34外界因素外界因素溫度高溫度高應(yīng)變速率大應(yīng)變速率大沖擊強(qiáng)度沖擊強(qiáng)度 i 即韌性即韌性35(3) 聚合物的增韌聚合物的增韌(a) 橡膠增韌塑料橡膠增韌塑料橡膠增韌橡膠增韌塑料塑料e.gPVCCPE，PPEPDM (三元乙丙橡膠）三元乙丙橡膠）增韌效果取決于分散相相疇大小和界面粘接力增韌效果取決于分散相相疇大小和界面粘接力,即兩者相容性即兩者相容性.36橡膠增韌塑料的增韌機(jī)理橡膠增韌塑料的增韌機(jī)理銀紋機(jī)理：銀紋機(jī)理：橡膠粒子作為應(yīng)力集中物誘發(fā)基體產(chǎn)生銀紋而吸收能量。（一般脆性聚合物增韌為橡膠粒子作為應(yīng)力集中物誘發(fā)基體產(chǎn)生銀紋而吸收能量。（一般脆性聚合物增韌為此機(jī)理

14、，如：此機(jī)理，如：PS/SBS）銀紋銀紋剪切帶機(jī)理：剪切帶機(jī)理：橡膠粒子作為應(yīng)力集中物橡膠粒子作為應(yīng)力集中物,在外力作用下誘發(fā)大量銀紋和剪切帶在外力作用下誘發(fā)大量銀紋和剪切帶,吸收能量。橡膠粒吸收能量。橡膠粒子和剪切帶控制和終止銀紋。子和剪切帶控制和終止銀紋。37（b）剛性粒子增韌）剛性粒子增韌剛性有機(jī)粒子增韌：拉伸時，由于基體與分散相之間的模量和泊松比差別致使剛性有機(jī)粒子增韌：拉伸時，由于基體與分散相之間的模量和泊松比差別致使基體對剛性粒子產(chǎn)生赤道面上的強(qiáng)壓力而發(fā)生脆韌基體對剛性粒子產(chǎn)生赤道面上的強(qiáng)壓力而發(fā)生脆韌轉(zhuǎn)變，剛性粒子發(fā)生轉(zhuǎn)變，剛性粒子發(fā)生“冷冷流流”而吸收能量。而吸收能量。e.g PC/MBS （甲基丙烯酸甲酯（甲基丙烯酸甲酯/丁二烯丁二烯/苯乙烯三元共聚物苯乙烯三元共聚物 ）剛性無機(jī)粒子增韌剛性無機(jī)粒子增韌:剛性粒子促使基