高分子物理-7力學(xué)性能

高分子物理Polymer

Physics一、形變與力學(xué)行為二、高彈性的特點(diǎn)三、影響高彈性的主要因素四、力學(xué)松弛現(xiàn)象五、時(shí)溫等效和疊加六、黏彈行為的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試第六章

高彈性與黏彈性高彈性黏彈性定律粘性定律理想彈性固體——理想黏性液體——實(shí)際高聚物材料——(線(xiàn)性)粘彈性(組合)4、力學(xué)松馳現(xiàn)象：理想彈性體（ 彈簧）理想粘性體（ 粘壺）形變時(shí)間交聯(lián)高聚物理想彈性體理想粘性體線(xiàn)性高聚物恒力作用下，不同類(lèi)型聚合物材料的形變-時(shí)間曲線(xiàn)Kelvin模型（并聯(lián)模型）四元件模型力學(xué)松弛現(xiàn)象：蠕變：在一定溫度和恒定應(yīng)力作用下，材料形變隨時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸增加的現(xiàn)象。應(yīng)力松弛：在一定溫度和恒定形變下，材料應(yīng)力隨時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸衰減的現(xiàn)象。滯后：在一定的溫度和循環(huán)(交變)應(yīng)力作用下，材料形變滯后于應(yīng)力的現(xiàn)象。力學(xué)松弛現(xiàn)象：靜態(tài)粘彈性(蠕變、應(yīng)力松弛)動(dòng)態(tài)粘彈性(滯后、內(nèi)耗)t

0

sin

wtt

0

sin(wt

)角頻率相位差0 <δ<

90o應(yīng)變應(yīng)力理想彈

理想粘性體 性體于應(yīng)力的現(xiàn)象4.3

滯后和內(nèi)耗：滯后：交變應(yīng)力作用下，試樣應(yīng)變力學(xué)損耗或內(nèi)耗：由于滯后，在每一循環(huán)中就有部分能量以熱能的方式進(jìn)行消耗。OABEO：外界對(duì)橡膠作的功

OCBEO：橡膠對(duì)外界作的功

OABCO：過(guò)程中消耗的功轉(zhuǎn)變?yōu)榭朔肿渔滈g摩擦產(chǎn)生的熱！滯后圈！W

02

20

0

sin

wtd

0

sinwt

d

0

0

sin滯后圈OABCO

：?jiǎn)挝惑w積橡膠在每個(gè)拉伸回縮過(guò)程中所損耗的功2st

0

0W

1

cos

2tg

W

0

0

sin

Wst21

cos0

0最大

能量：力學(xué)內(nèi)耗ψ：拉伸回縮循環(huán)過(guò)程中損耗能量與最大能量之比E”E’儲(chǔ)能模量E’

:

反映了材料形變時(shí)量

的大小損耗模量E”:

反映材形變時(shí)能量損耗大小分子運(yùn)動(dòng)的溫度依賴(lài)性：Arrhenius方程：E

/

RT

0

eE

-松弛所需的活化能TT時(shí)溫等效5、時(shí)溫等效和疊加：位移因子式中τ和τ0分別是溫度T和參考溫度T0時(shí)的松弛時(shí)間

0位移因子：T位移因子：T

0式中τ

和τ0分別是溫度T

和參考溫度T0時(shí)的松弛時(shí)間?？捎肳LF方程(非晶態(tài)高聚物)估算：C2

(T1

T0

)

C1

(T1

T0

)Tlg式中C1

，C2

為常數(shù)當(dāng)選擇T0=Tg時(shí)：

17.44(T1

Tg

)51.6

(T1

Tg

)Tlg

at相繼作用在試樣上的兩個(gè)應(yīng)力所引起的應(yīng)變的線(xiàn)性加和原因：外力對(duì)形變、應(yīng)變對(duì)應(yīng)力松馳貢獻(xiàn)的獨(dú)立性！

(t)Boltzmann疊加原理:一、聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變行為二、屈服-冷拉和剪切帶結(jié)構(gòu)三、銀紋現(xiàn)象四、聚合物的強(qiáng)度和韌性五、聚合物的增強(qiáng)增韌第七章

聚合物的屈服和斷裂強(qiáng)度：在較大外力持續(xù)作用或強(qiáng)大外力的短期作用下，材料將發(fā)生大形變直至宏觀(guān)破壞或斷裂，對(duì)這種破壞或斷裂的抵抗能力稱(chēng)為強(qiáng)度。一、聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變行為拉伸強(qiáng)度壓縮強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度剪切強(qiáng)度沖擊強(qiáng)度強(qiáng)度力學(xué)性能指標(biāo)：楊氏模量，屈服強(qiáng)度，屈服伸長(zhǎng)率，斷裂強(qiáng)度，斷裂伸長(zhǎng)率，斷裂能極限彈性強(qiáng)度屈服強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度寬度bFF應(yīng)力-應(yīng)變拉伸實(shí)驗(yàn)樣條厚度d長(zhǎng)度lA0F應(yīng)力:

l0l應(yīng)變:

面積:

A0=b·d非晶態(tài)高聚物的拉伸實(shí)驗(yàn)σ—應(yīng)力ε—應(yīng)變Y

—屈服點(diǎn)B—斷裂點(diǎn)YB斷裂能：應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)面積拉伸斷裂韌性ε非晶態(tài)聚合物PMMA的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)(60℃,5mm/min)σ彈性區(qū)塑性區(qū)屈服現(xiàn)象：

達(dá)到某一最大值后，曲線(xiàn)開(kāi)始出現(xiàn)應(yīng)變?cè)黾佣鴳?yīng)力不變或是先下降后不變的現(xiàn)象。屈服成頸屈服應(yīng)變?chǔ)舮εσ非晶態(tài)聚合物PMMA的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)(60℃,5mm/min)屈服應(yīng)力σ

y彈性區(qū):彈性行為(小形變、大模量)應(yīng)變可恢復(fù)均勻拉伸楊氏模量E(初始斜率)線(xiàn)性彈性形變強(qiáng)迫高彈形變鍵角、鍵長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)塑性區(qū):塑性行為應(yīng)變不可恢復(fù)退火可部分恢復(fù)Bεσ斷裂強(qiáng)度σy非晶態(tài)聚合物PMMA的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)(60℃,5mm/min)斷裂伸長(zhǎng)率εy應(yīng)變軟化頸縮階段取向硬化理：理：頸縮階段分子運(yùn)鏈段運(yùn)動(dòng)取向硬化分子運(yùn)整鏈粘態(tài)運(yùn)動(dòng)(滑移)應(yīng)變軟化：過(guò)屈服點(diǎn)后，應(yīng)變?cè)黾?，?yīng)力反而下降頸縮階段：細(xì)頸沿樣品擴(kuò)展，應(yīng)力不變，應(yīng)變大幅度增加取向硬化：應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾佣眲〉剡M(jìn)一步增加鏈段運(yùn)動(dòng)鏈運(yùn)動(dòng)高聚物屈服點(diǎn)特征：屈服應(yīng)變較大，而大多數(shù)金屬材料較小。在屈服點(diǎn)后，存在應(yīng)變軟化現(xiàn)象。屈服應(yīng)力與應(yīng)變速率有很大的依賴(lài)性，隨應(yīng)變速率增大而增大。屈服應(yīng)力隨T升高而降低，到達(dá)Tg時(shí)，降低為0(實(shí)質(zhì)上不存在屈服)。屈服應(yīng)力對(duì)流體靜壓力非常敏感，流體靜壓力升高，屈服應(yīng)力升高。壓縮屈服應(yīng)力大于拉伸屈服應(yīng)力。大多數(shù)高聚物屈服時(shí)，體積稍有縮小影響拉伸曲線(xiàn)因素：化學(xué)組成，結(jié)構(gòu)分子量及其分布支化，交聯(lián)化學(xué)結(jié)構(gòu)結(jié)晶及取向晶區(qū)大小與形狀加工形態(tài)物理結(jié)構(gòu)試驗(yàn)測(cè)試條件——溫度、速率等a:

脆性材料c:韌性材料d:橡膠b:半脆性材料酚醛或環(huán)氧樹(shù)脂PP,

PE,

PCPS,

PMMANR,PI組成的影響：溫度的影響：①T<<Tg,

ε<10%②T<<Tg,ε<20%，出現(xiàn)屈服點(diǎn)③T=小Tg幾十度時(shí)，ε高達(dá)幾百％④T>>Tg時(shí)，鏈段可運(yùn)動(dòng)T↑，材料變軟而韌，σY↓

εY↑σB↓

εB↑Ty

1TB

1拉伸速率的影響：增加拉伸速率，鏈段來(lái)不及響應(yīng)和松馳增速相當(dāng)于降溫！速度速率↑,

σy和σB均↑增速相當(dāng)于降溫！速度拉伸速率對(duì)拉伸性能的影響流體靜壓力的影響：壓力減少鏈段活動(dòng)能力，松馳轉(zhuǎn)變需更高溫度增壓相當(dāng)于降溫！環(huán)境壓力對(duì)聚苯乙烯PS應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的影響（T=31℃）脆韌晶態(tài)高聚物的拉伸實(shí)驗(yàn)拉伸初期：應(yīng)力增加較快應(yīng)變?cè)黾虞^小符合 定律(普彈形變)拉伸中期：應(yīng)力不變應(yīng)變不斷增加鏈段運(yùn)動(dòng)拉伸后期：成頸后重新被均勻拉伸微晶間或者分子間發(fā)生位移導(dǎo)致分子鏈的斷裂晶態(tài)高聚物的拉伸實(shí)驗(yàn)球晶中片晶變形：相轉(zhuǎn)變和雙晶化分子鏈傾斜片晶破裂(滑移、轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈被抽出)鏈拉伸，形成微絲結(jié)構(gòu)(微纖)晶態(tài)高聚物的拉伸實(shí)驗(yàn)晶態(tài)高聚物=晶區(qū)+非晶區(qū)非晶區(qū)先形變片晶受拉伸形變時(shí)

晶片發(fā)生位錯(cuò)、轉(zhuǎn)向、定向排列、拉伸示意圖結(jié)晶狀態(tài)的影響：小球晶大球晶不同結(jié)晶形態(tài)聚丙烯應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)高密度聚乙烯低密度聚乙烯聚乙烯應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)取向的影響：取向方向：模量增大，伸長(zhǎng)率降低，非取向方向：影響不大但高度取向時(shí)，強(qiáng)度明顯降低相同之處：都經(jīng)歷彈性形變、屈服成頸、應(yīng)變軟化、成頸形變、應(yīng)變硬化等階段。拉伸最后階段，材料呈現(xiàn)出 各項(xiàng)異性。斷裂前大形變?cè)谑覝叵虏荒芑貜?fù)，但加熱后能大部回復(fù)。不同之處：拉伸溫度：非晶T<Tg；晶態(tài)Tg以下~Tm。態(tài)結(jié)構(gòu)不同：非晶：鏈取向；晶態(tài)：包含結(jié)晶破壞、取向和再結(jié)晶?；虬蚓е衅У淖冃芜^(guò)程。晶態(tài)和非晶態(tài)高聚物拉伸比較：拉伸曲線(xiàn)與力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系：力學(xué)參量彈性模量屈服點(diǎn)斷裂伸長(zhǎng)率屈服應(yīng)力、斷裂應(yīng)力或抗拉強(qiáng)度應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)下部的面積彈性區(qū)的面積力學(xué)性質(zhì)剛性(硬與軟)彈性延性強(qiáng)度(強(qiáng)與弱)韌性(韌與脆)回彈性E高，σb

中，εb

≤2％σ－ε曲線(xiàn)中面積小如低分子量PS，PMMAE高，σb

高，εb

≈5％σ－ε曲線(xiàn)中面積中高分子量PS，PMMA，RPVC拉伸曲線(xiàn)類(lèi)型：硬而脆硬而強(qiáng)E高，σb

高，εb

≈100％σ－ε曲線(xiàn)中面積大如尼龍，PC，POME低，σb

中，εb

≈20～1000％σ－ε曲線(xiàn)中面積大如硫化rubber，軟PVC強(qiáng)而韌軟而韌E低，σb

低，εb

中σ－ε曲線(xiàn)中面積小如低分子量聚合物和柔軟高分子凝膠如小分子軟而弱弱而脆聚合物力學(xué)類(lèi)型軟而弱軟而韌硬而脆硬而強(qiáng)硬而韌聚合物應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)特點(diǎn)模量（剛性）低低高高高屈服應(yīng)力（強(qiáng)度）低低高高高極限強(qiáng)度（強(qiáng)度）低中高高斷裂伸長(zhǎng)（延性）中等按屈服應(yīng)力低中高應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)下面積（韌）小中小中大實(shí)例聚合物凝膠橡膠.增塑.PVC、PE、PTFEPS、PMMA硬PVCABS、PC、PE、PA有明顯的

屈服和塑性形變.韌性好二、屈服-冷拉和剪切帶結(jié)構(gòu)剪切滑移變形帶：韌性高聚物在單向拉伸至屈服點(diǎn)時(shí)，在試樣上出現(xiàn)大約與拉伸方向成約45度角傾斜的剪切帶。玻璃態(tài)高聚物的剪切屈服形式：擴(kuò)散剪切屈服：整個(gè)受力區(qū)域內(nèi)發(fā)生的大規(guī)模剪切形變剪切帶：只發(fā)生在局部帶狀區(qū)域內(nèi)的剪切形變玻璃態(tài)高聚物的剪切屈服特點(diǎn)：沒(méi)有明顯的體積變化。剪切屈服在外加剪切力、拉伸應(yīng)力、壓縮應(yīng)力作用下都能引起三、銀紋現(xiàn)象銀紋：玻璃態(tài)高聚物在拉伸應(yīng)力作用下，某些薄弱環(huán)節(jié)部位因應(yīng)力集中而產(chǎn)生的空化條紋狀形變區(qū)。這些條紋狀形變區(qū)的平面強(qiáng)烈地反射可見(jiàn)光，則材料表面形成一片銀色的閃光，

上稱(chēng)為銀紋。長(zhǎng)：100μm寬：10μm厚：1μmiPP樣條在頸部的應(yīng)力集中和銀紋化現(xiàn)象裂縫：裂縫：相應(yīng)的開(kāi)裂現(xiàn)象稱(chēng)為銀紋化現(xiàn)象，會(huì)吸受大量能量。但需抑制或控制，不然會(huì)導(dǎo)致斷裂中間分子鏈斷裂擴(kuò)展形成裂紋銀紋(craze)與裂縫(crack)的區(qū)別：兩者在外形上相似，都吸引能量，但本質(zhì)上差別大銀紋體宏觀(guān)形變小(<10%)銀紋無(wú)明顯屈服點(diǎn)銀紋體中高聚物的體積分?jǐn)?shù)為40-60％，而裂縫中為0。銀紋具有可逆性，在壓力或Tg以上退火時(shí)銀紋能回縮后或 ，裂縫則不能。先由銀紋----再過(guò)渡到裂縫。四、聚合物的強(qiáng)度和韌性斷裂面拉伸過(guò)程拉伸曲線(xiàn)典型材料脆性斷裂光滑，平整，垂直拉伸方向在屈服點(diǎn)前發(fā)生斷裂應(yīng)力大，形變小，面積小，吸受能量少PMMA、PS韌性斷裂粗糙，有凹凸不平的絲狀物有明顯的屈服和頸縮現(xiàn)象應(yīng)力大，形變大，面積大，吸受能量多PC脆性斷裂和韌性斷裂：PS試樣脆性斷裂表面的電鏡增韌改性PVC韌性斷裂表面的電鏡微纖：強(qiáng)度：在外力作用下，材料抵抗形變及破壞的能力拉伸強(qiáng)度壓縮強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度剪切強(qiáng)度沖擊強(qiáng)度極限彈性強(qiáng)度屈服強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度強(qiáng)度bdpt

l0l

bd拉伸模量(楊氏模量)：拉伸初始階段的應(yīng)力與應(yīng)變比值pEB拉伸強(qiáng)度：在特定的溫度、濕度和拉伸速度下，標(biāo)準(zhǔn)試樣(啞鈴形)受力至斷裂時(shí)在單位面積上所承受的最大負(fù)荷寬度bPP厚度d長(zhǎng)度l4bd

2pl

3

0

Ef

0bd

2l0p

2

2

bd

26pl

1.5f

：受力處的位移擾度彎曲強(qiáng)度：特定試驗(yàn)條件下，試樣施加靜彎曲力矩，直至試樣斷裂為止最大載荷P所對(duì)應(yīng)的值彎曲模量：bd

W

沖擊強(qiáng)度的單位：J/m2

i沖擊強(qiáng)度：試樣在沖擊載荷作用下，折斷或折裂時(shí)單位截面積所吸收的能量，是衡量材料韌性的一種指標(biāo)。簡(jiǎn)支梁式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)示意圖抗沖強(qiáng)度測(cè)定方法高速拉伸試驗(yàn)落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)擺錘式?jīng)_懸臂梁式Izod擊試驗(yàn)簡(jiǎn)支梁式Charpy實(shí)際強(qiáng)度與理論強(qiáng)度的偏差原因：σ實(shí)=0.01～0.001

σ理論≈分子間力應(yīng)力集中(缺陷)：1、幾何的不均勻：孔、洞、缺口、溝槽、裂紋2、材質(zhì)的不均勻：雜質(zhì)、異相3、載荷的不均勻4、溫度場(chǎng)的不均勻五、聚合物的增強(qiáng)增韌增強(qiáng)劑(活性填料)纖維：棉、麻、絲

玻纖、碳纖維晶須液晶：增強(qiáng)：通過(guò)復(fù)合來(lái)顯著提高材料力學(xué)強(qiáng)度的作用(復(fù)合材料)增強(qiáng)劑：能夠提高聚合物基體力學(xué)強(qiáng)度的物質(zhì)粉末顆粒：碳黑白碳黑SiO2活性碳酸鈣增強(qiáng)機(jī)理：粉狀填料增強(qiáng)橡膠：作為物理交聯(lián)點(diǎn)均勻負(fù)載，使外力作用分散且均勻化。纖維填料增強(qiáng)橡膠：除以上作用外，還作為骨架承擔(dān)負(fù)荷纖