高分子物理化學優(yōu)質(zhì)選題第一部分高分子材料的強度、破壞和增韌

1、高分子物理化學優(yōu)質(zhì)選題第一部分高分子材料的強度、破壞和增韌提綱1 基本概念2 聚合物的強度3 影響高分子材料強度的因素4 柔性鏈高分子材料的自增強技術(shù)5 柔性鏈高分子材料的片晶搭接6 填充增強7 原位增強8 高分子材料的韌性9 橡膠增韌10無機剛性粒子增韌高分子結(jié)構(gòu)材料的兩大關(guān)鍵指標：1）強度：抵抗高應(yīng)力的能力;2）韌性：通過吸收和耗散能量而阻止其發(fā)生破壞的能力一般概念(一)拉伸強度彎曲強度沖擊強度一般概念(二)兩種斷裂方式 (1) 脆性(brittle)斷裂 (2) 韌性(ductile)斷裂屈服(yielding): 表現(xiàn)為塑性變形(plastic deformation)兩種形式：剪切屈

2、服(shearing yielding)銀紋化(crazing)聚合物的強度抵抗外力破壞的能力取決于分子內(nèi)的化學鍵強度, 分子間力和氫鍵力情況一:化學鍵斷裂一般地, 高分子共價鍵的鍵能E約為350kJ/mol,共價鍵的鍵長d不超過約為0.15nm, 因此破壞一根共價鍵所需力f為:情況二:分子間滑移斷裂需要破壞全部的分子間氫鍵或范德華力極性聚合物:鏈段的內(nèi)聚能約為20kJ/mol, 假定高分子鏈總長為100nm, 則總的內(nèi)聚能約為4000kJ/mol,10倍的共價鍵;非極性聚合物:鏈段的內(nèi)聚能約為5kJ/mol, 假定高分子鏈總長為100nm, 則總的內(nèi)聚能約為1000kJ/mol,倍的共價鍵.

3、情況三:分子垂直于受力方向斷裂為部分氫鍵或分子間范德華力氫鍵約為20kJ/mol, 作用范圍0.3nm;范德華鍵約為8kJ/mol, 作用范圍0.4nm.則拉斷一個氫鍵和范德華鍵所需的力為:1*10-10N和3*10-12N.假設(shè)2上有一個氫鍵或范德華鍵, 則拉伸強度:400MPa, 120MPa與高取向高分子材料的實際強度在同一個數(shù)量級高取向與少缺陷,是材料高強度設(shè)計的途徑之一!影響高分子材料強度的因素1) 高分子材料本身的結(jié)構(gòu): 分子極性, 氫鍵 分子間的自由體積, 分子交聯(lián)2) 結(jié)晶和取向3) 增塑劑4) 填料增強5) 共聚和共混柔性鏈高分子材料的自增強技術(shù)針晶串晶柔性鏈高分子材料的自增

4、強技術(shù)凝膠紡絲,gel spinning-ultra-drawing柔性鏈高分子材料的凝膠紡絲柔性鏈高分子材料的注塑自增強在特定的模具中實現(xiàn)熔體的伸展流動，并有一個穩(wěn)定的伸展流動區(qū)間其特點是：柔性鏈高分子材料的固相拉伸固相拉伸變形屬于高分子材料的二次加工高分子的拉伸取向取決于：（）高分子本身的性能，改變的是材料的超分子結(jié)構(gòu)（亞穩(wěn)態(tài)）；（）材料的一次加工用拉伸外力強迫改變高分子的構(gòu)象，造成分子鏈在力的作用方向上的取向，并固定住這個取向，是實現(xiàn)固態(tài)高分子在超分子結(jié)構(gòu)水平自增強的材料學基礎(chǔ)缺點：局限于小直徑線材的加工柔性鏈高分子材料的固相擠出在擠出機的設(shè)備上增加一個錐形口模增強相: 微纖d=30mm

5、, l=20-30nm, c軸取向度=0.99(幾乎所有的分子鏈都伸展取向)優(yōu)點柔性鏈高分子材料的固相擠出在擠出機的設(shè)備上增加一個錐形口模增強相: 微纖d=30mm, l=20-30nm, c軸取向度=0.99(幾乎所有的分子鏈都伸展取向)E=30GPa固相擠出比自由拉伸材料具有更好的熱穩(wěn)定性柔性鏈高分子材料的片晶搭接（附晶搭接）利用片晶外延生長搭接弱結(jié)合的界晶面和非晶區(qū)附晶搭接的特點）外延生長的陌生片晶能在原晶體表面產(chǎn)生很強的物理黏附力能夠外延生長的陌生片晶完全可以取代任何形式的界面黏附）具有良好界面黏附效果的搭接片晶能夠彌補原生長片晶之間的非晶弱結(jié)合填充增強）剛性粒子增強）纖維增強bN6/

6、GF/MA-SEBS/EP=70/10/20/1.00phrRosen應(yīng)力傳遞理論:g為基體的剪切屈服應(yīng)力Halpin-Tsai模量公式原位增強(in-situ reinforcement)高分子材料的韌性通過吸收和耗散能量而阻止其發(fā)生破壞的能力抵抗外力破壞的能力例子:HIPS橡膠增韌理論1)微裂紋理論和多重銀紋理論Mertz EH, Claver GC, Baer M, J. Polym. Sci., 1956, 22: 325-334 Microcrack theory:橡膠粒子聯(lián)結(jié)著材料基體中正在發(fā)展的裂紋的兩個表面,在受沖擊時吸收更多的能量.Bucknall CB, Smith RR,

7、 Polymer, 1965, 6: 437-308Multiple-craze theory:橡膠粒子起應(yīng)力集中體的作用引發(fā)銀紋.如果生長的銀紋前峰處的應(yīng)力集中低于臨界值或銀紋遇到另一個橡膠粒子,則銀紋就會終止.即橡膠粒子對銀紋有引發(fā)和控制作用.由于橡膠粒子的存在產(chǎn)生大量的小尺寸的銀紋,在受拉伸或沖擊時能吸收更多的能量.由于橡膠粒子對銀紋的有效終止作用,這些多重銀紋不致迅速發(fā)展為裂紋而導致斷裂.橡膠增韌理論2)剪切屈服理論Newman S, Strella S, J. Appl. Polym. Sci., 1965, 9: 2297-2304 Shear yielding theory:橡膠

8、的增韌作用來源于基質(zhì)剪切屈服。Bucknall對HIPS/PPO共混物進行拉伸,除發(fā)現(xiàn)多重銀紋外，還觀察到與應(yīng)力方向成450的剪切帶。并且剪切帶也是途經(jīng)橡膠粒子，表明它的產(chǎn)生也與應(yīng)力集中有關(guān);同時還看到，銀紋是被剪切帶所終止的。橡膠增韌理論3)逾滲理論Alla M, Wu S, Polymer 1988,2 9: 2170-2175 Percolation theory:隨著單位體積內(nèi)粒子數(shù)目的增加,粒子間距減小,最終形成逾滲通道,實現(xiàn)材料的脆-韌轉(zhuǎn)變。橡膠增韌理論3)逾滲理論Alla M, Wu S, Polymer 1988,2 9: 2170-2175 粒子間距模型: TTc時,為脆性斷裂當粒子充分接近臨界值時,粒子周圍的應(yīng)力場相互影響,提高了基體的剪切屈服,使共混材料表現(xiàn)為韌性.橡膠增韌理論4)空化理論Cavitation theory:橡膠增韌理論4)空化理