高分子概論聚合物的力學性能課件

第七節(jié)聚合物的力學性能

聚合物的力學性能指的是其受力后的響應(yīng)，如形變大小、形變的可逆性及抗破損性能等，這些響應(yīng)可用一些基本的指標來表征。一、表征力學性能的基本指標（1）應(yīng)變與應(yīng)力材料在外力作用下，其幾何形狀和尺寸所發(fā)生的變化稱應(yīng)變或形變，通常以單位長度（面積、體積）所發(fā)生的變化來表征。材料在外力作用下發(fā)生形變的同時，在其內(nèi)部還會產(chǎn)生對抗外力的附加內(nèi)力，以使材料保持原狀，當外力消除后，內(nèi)力就會使材料回復原狀并自行逐步消除。當外力與內(nèi)力達到平衡時，內(nèi)力與外力大小相等，方向相反。單位面積上的內(nèi)力定義為應(yīng)力。

材料受力方式不同，發(fā)生形變的方式亦不同，材料受力方式主要有以下三種基本類型：（i）簡單拉伸（drawing)：材料受到一對垂直于材料截面、大小相等、方向相反并在同一直線上的外力作用。材料在拉伸作用下產(chǎn)生的形變稱為拉伸應(yīng)變，也稱相對伸長率（e）。（ii）簡單剪切(shearing)材料受到與截面平行、大小相等、方向相反，但不在一條直線上的兩個外力作用，使材料發(fā)生偏斜。其偏斜角的正切值定義為剪切應(yīng)變（）。A0FF簡單剪切示意圖剪切應(yīng)變=tg剪切應(yīng)力s=F/A0（iii）均勻壓縮（pressurizing)材料受到均勻壓力壓縮時發(fā)生的體積形變稱壓縮應(yīng)變（V）。A0材料經(jīng)壓縮以后，體積由V0縮小為V，則壓縮應(yīng)變：

V=（V0-V）/V0=DV/V0材料受力方式除以上三種基本類型外，還有彎曲和扭轉(zhuǎn)。（iv）彎曲（bending)對材料施加一彎曲力矩，使材料發(fā)生彎曲。主要有兩種形式：F一點彎曲（1-pointbending）F三點彎曲（3-pointbending）（3）硬度：是衡量材料表面承受外界壓力能力的一種指標。（4）機械強度當材料所受的外力超過材料的承受能力時，材料就發(fā)生破壞。機械強度是衡量材料抵抗外力破壞的能力，是指在一定條件下材料所能承受的最大應(yīng)力。根據(jù)外力作用方式不同，主要有以下三種：（i）抗張強度衡量材料抵抗拉伸破壞的能力，也稱拉伸強度。厚度d寬度bPP在規(guī)定試驗溫度、濕度和實驗速度下，在標準試樣上沿軸向施加拉伸負荷，直至試樣被拉斷。試樣斷裂前所受的最大負荷P與試樣橫截面積之比為抗張強度t：

t=P/b?d（ii）抗彎強度也稱撓曲強度或彎曲強度?？箯潖姸鹊臏y定是在規(guī)定的試驗條件下，對標準試樣施加一靜止彎曲力矩，直至試樣斷裂。Pdbl0/2l0/2抗彎強度測定試驗示意圖設(shè)試驗過程中最大的負荷為P，則抗彎強度f為：f=1.5Pl0/bd2第八節(jié)玻璃態(tài)聚合物的屈服與斷裂玻璃態(tài)聚合物被拉伸時，典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如右圖：在曲線上有一個應(yīng)力出現(xiàn)極大值的轉(zhuǎn)折點B，叫屈服點，對應(yīng)的應(yīng)力稱屈服應(yīng)力（y）；xB應(yīng)變應(yīng)力ebby玻璃態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在屈服點之前，應(yīng)力與應(yīng)變基本成正比（虎克彈性），經(jīng)過屈服點后，即使應(yīng)力不再增大，但應(yīng)變?nèi)员３忠欢ǖ纳扉L；當材料繼續(xù)被拉伸時，將發(fā)生斷裂，材料發(fā)生斷裂時的應(yīng)力稱斷裂應(yīng)力（b），相應(yīng)的應(yīng)變稱為斷裂伸長率（eb）。xB應(yīng)變應(yīng)力ebby玻璃態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線材料在屈服點之間發(fā)生的斷裂稱為脆性斷裂；在屈服點后發(fā)生的斷裂稱為韌性斷裂。在屈服點后出現(xiàn)的較大應(yīng)變在移去外力后是不能復原的。但是如果將試樣溫度升到其Tg附近，該形變則可完全復原，因此它在本質(zhì)上仍屬高彈形變，并非粘流形變，是由高分子的鏈段運動所引起的。－－強迫高彈形變

強迫高彈形變產(chǎn)生的原因

原因在于在外力的作用下，玻璃態(tài)聚合物中本來被凍結(jié)的鏈段被強迫運動，使高分子鏈發(fā)生伸展，產(chǎn)生大的形變。但由于聚合物仍處于玻璃態(tài)，當外力移去后，鏈段不能再運動，形變也就得不到復原，只有當溫度升至Tg附近，使鏈段運動解凍，形變才能復原。這種大形變與高彈態(tài)的高彈形變在本質(zhì)上是相同的，都是由鏈段運動所引起。根據(jù)材料的力學性能及其應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征，可將非晶態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致分為六類：es（3）es（4）（3）材料硬而韌：具高模量和抗張強度，斷裂伸長率較大，材料受力時，屬韌性斷裂。（這類高聚物在拉伸的過程中會產(chǎn)生細頸，是纖維和薄膜拉伸工藝的依據(jù)，如尼龍、聚碳酸酯）以上三種聚合物由于強度較大，適于用做工程塑料。（4）材料軟而韌：模量低，屈服強度低，斷裂伸長率大，斷裂強度較高，可用于要求形變較大的材料。（橡膠和增塑聚氯乙烯）es（5）es（6）（5）材料軟而弱：模量低，屈服強度低，中等斷裂伸長率。如一些柔軟的凝膠，很少作為材料來使用。（6）材料弱而脆：一般為低聚物，不能直接用做材料。附：強與弱從斷裂強度sb比較；硬與軟從模量E（s/e）比較；脆與韌則可從斷裂伸長率比較。第九節(jié)晶態(tài)聚合物的拉伸晶態(tài)聚合物在單向拉伸時典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如下圖：Yes未經(jīng)拉伸的晶態(tài)聚合物中，其微晶排列是雜亂的，拉伸使得晶軸與外力方向不同的微晶熔化，分子鏈沿外力方向取向再重排結(jié)晶，使得取向在熔點以下不能復原，因之產(chǎn)生的形變也不能復原，但加熱到熔點附近形變能復原，因此晶態(tài)聚合物的大形變本質(zhì)上也屬高彈性。第十節(jié)聚合物強度的影響因素（1）有利因素（i）聚合物自身的結(jié)構(gòu)：主鏈中引入芳雜環(huán)，可增加鏈的剛性，分子鏈易于取向，強度增加；適度交聯(lián)，有利于強度的提高。（ii）結(jié)晶和取向：結(jié)晶和取向可使分子鏈規(guī)整排列，增加強度，但結(jié)晶度過高，可導致抗沖強度和斷裂伸長率降低，使材料變脆。（iii）共聚和共混：共聚和共混都可使聚合物綜合兩種以上均聚物的性能，可有目的地提高聚合物的性能。（iv）材料復合：聚合物的強度可通過在聚合物中添加增強材料得以提高。如纖維增強復合材料之一--玻璃鋼。（2）不利因素

（i）應(yīng)力集中：若材料中存在某些缺陷，受力時，缺陷附近局部范圍內(nèi)的應(yīng)力會急劇增加，稱為應(yīng)力集中。應(yīng)力集中首先使其附近的高分子鏈斷裂和相對位移，然后應(yīng)力再向其它部位傳遞。缺陷的產(chǎn)生原因多種，如聚合物中的小氣泡、生產(chǎn)過程中混入的雜質(zhì)、聚合物收縮不均勻而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力等。

（ii）惰性填料：有時為了降低成本，在聚合物中加入一些只起稀釋作用的惰性填料，如在聚合物中加入粉狀碳酸鈣。惰性填料往往使聚合物材料的強度降低。

（iii）增塑：增塑劑的加入可使材料強度降低，只適于對彈性、韌性的要求遠甚于強度的軟塑料制品。

（iv）老化第十一節(jié)高彈態(tài)聚合物的力學性能高彈態(tài)聚合物最重要的力學性能是其高彈性。（1）高彈性的特點：（i）彈性模量小，形變量很大；（ii）形變需要時間：形變隨時間而發(fā)展直至最大形變；（iii）橡膠受拉伸會發(fā)熱。（2）高彈性的本質(zhì)高彈性是由熵變引起的，在外力作用下，橡膠分子鏈由卷曲狀態(tài)變?yōu)樯煺範顟B(tài)，熵減小，當外力移去后，由于熱運動，分子鏈自發(fā)地趨向熵增大的狀態(tài)，分子鏈由伸展再回復卷曲狀態(tài)，因而形變可逆。

（1）蠕變在恒溫下施加較小的恒定外力時，材料的形變隨時間而逐漸增大的力學松弛現(xiàn)象。如掛東西的塑料繩慢慢變長。蠕變過程包括三種形變：e1t1t2t普彈形變示意圖（i）普彈形變（e1）：

聚合物受力時，瞬時發(fā)生的高分子鏈的鍵長、鍵角變化引起的形變，形變量較小，服從虎克定律，當外力除去時，普彈形變立刻完全回復。如右圖：

（ii）高彈形變（e2）：

聚合物受力時，高分子鏈通過鏈段運動產(chǎn)生的形變，形變量比普彈形變大得多，但不是瞬間完成，形變與時間