第9章-高聚物的力學(xué)性能課件

第九章高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)狀態(tài)高聚物的高彈性高聚物的粘彈性高聚物的應(yīng)力--應(yīng)變行為主要內(nèi)容第九章高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)狀態(tài)19.1高聚物的力學(xué)狀態(tài)柔性高分子熱運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn):分子的一部分可以相對于分子的另一部分作獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。最小獨(dú)立運(yùn)動(dòng)單元稱--鏈段。1.線型非晶態(tài)高聚物的力學(xué)狀態(tài)

線形非晶態(tài)高聚物試樣在恒定應(yīng)力作用下等速升溫，測定試樣的形變隨溫度的變化，得到形變-溫度曲線。線型非晶態(tài)高聚物的三種物理狀態(tài)：玻璃態(tài)、高彈態(tài)、黏流態(tài)

9.1高聚物的力學(xué)狀態(tài)柔性高分子熱運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn):分子的一部分2

●線型非晶態(tài)高聚物的三種物理狀態(tài)的對比

高分子材料的形變機(jī)理:(a)普彈形變(b)高彈形變(c)流動(dòng)形變

●線型非晶態(tài)高聚物的三種物理狀態(tài)的對比

高分子材料的形變3高聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變本質(zhì)上是鏈段運(yùn)動(dòng)從凍結(jié)至自由(或自由至凍結(jié))的轉(zhuǎn)變。高聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg主要與分子鏈的柔性有關(guān)。分子鏈柔性愈大，Tg愈低。非晶態(tài)高聚物的流動(dòng)溫度Tf隨相對分子質(zhì)量的增加而提高。高聚物的三種力學(xué)狀態(tài)和兩個(gè)轉(zhuǎn)變溫度具有重要的實(shí)際意義。常溫下處于玻璃態(tài)的非晶態(tài)高聚物可作為塑料，其最高使用溫度為Tg;常溫下處于高彈態(tài)的高聚物可作為橡膠，其最低使用溫度為Tg。粘流態(tài)是高聚物成型中最重要的狀態(tài)。非晶態(tài)高聚物利用粘流態(tài)進(jìn)行加工成型時(shí)，成型溫度一般在Tf-Td(Td為分解溫度)之間。高聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變本質(zhì)上是鏈段運(yùn)動(dòng)從凍結(jié)至自由(或自由至凍結(jié)49.2高聚物的高彈性高彈態(tài)是高聚物所特有的，是基于鏈段運(yùn)動(dòng)的一種力學(xué)狀態(tài)，可以通過高聚物在一定條件下，通過玻璃化轉(zhuǎn)變而達(dá)到。處于高彈態(tài)的高聚物表現(xiàn)出獨(dú)特的力學(xué)性能—高彈性。1.彈性形變大可達(dá)1000％，金屬<1％高彈性的特點(diǎn)

2.彈性模量小，E很小3.高彈模量隨熱力學(xué)溫度的升高而成正比地增加，而金屬材料的彈性模量隨溫度的升高而下降。4.絕熱拉伸時(shí),高彈態(tài)高聚物的溫度升高,而金屬材料的溫度下降。5.形變需要時(shí)間－高彈松弛特性：受到外力（應(yīng)力恒定）壓縮或拉伸時(shí)，形變總是隨時(shí)間而發(fā)展，最后達(dá)到最大形變，這種現(xiàn)象叫蠕變。鏈段的運(yùn)動(dòng)需要克服分子間的內(nèi)摩擦力，達(dá)到平衡位置需要一定的時(shí)間。9.2高聚物的高彈性高彈態(tài)是高聚物所特有的，是基于鏈段運(yùn)5普通彈性應(yīng)變對外力的響應(yīng)是瞬時(shí)完成的。高彈性的本質(zhì)是熵彈性，即高彈形變主要引起體系的熵變。而普通彈性的本質(zhì)是能彈性，即普彈形變主要引起體系的內(nèi)能變化。高彈形變時(shí)，高分子鏈通過鏈段運(yùn)動(dòng)從卷曲的構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)樯煺沟臉?gòu)象，引起熵的減少，是自發(fā)現(xiàn)象。溫度升高時(shí)，高分子鏈段的熱運(yùn)動(dòng)更加劇烈，自發(fā)趨于卷曲構(gòu)象的傾向更大，要克服這種傾向而使之伸展(即形變)所需要的外力就愈大。即高彈模量隨溫度的升高而增加。高彈形變中，鏈段發(fā)生相對遷移時(shí)，需要克服一定的內(nèi)摩擦力。因此高分子鏈從一種構(gòu)象轉(zhuǎn)變到另一種構(gòu)象需要一定的時(shí)間，實(shí)際高彈形變對應(yīng)力的響應(yīng)往往不可能瞬間完成，這就叫做實(shí)際高彈性的松弛特性。普通彈性應(yīng)變對外力的響應(yīng)是瞬時(shí)完成的。溫度升高時(shí)，高分子鏈段69.3高聚物的粘彈性高分子材料的力學(xué)行為既不符合虎克定律，又不符合牛頓定律，而是介于彈性和粘性之間，應(yīng)力同時(shí)依賴于應(yīng)變和應(yīng)變速率。這種特性稱為粘彈性。如果粘彈性是虎克彈性和牛頓粘性的組合，則稱為線性粘彈性，否則稱為非線性粘彈性。高分子材料的幾種典型的線性粘彈性行為。1.蠕變?nèi)渥兪俏矬w在恒定應(yīng)力作用下其形變隨時(shí)間逐漸增大的現(xiàn)象。在階梯應(yīng)力(a)的作用下，理想彈性體(b)和理想粘性體(c)的形變(ε)-時(shí)間(t)的關(guān)系:材料的抗蠕變性能反映制品的尺寸穩(wěn)定性。9.3高聚物的粘彈性高分子材料的力學(xué)行為既不符合虎克定律7高聚物的蠕變行為與高分子的鏈結(jié)構(gòu)與聚集態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)，也與溫度、作用力等外界因素有關(guān)。分子鏈的剛性增加、相對分子質(zhì)量增大、交聯(lián)密度增大、溫度降低和作用力(外力)減小都有利于減少蠕變。熱固性塑料的抗蠕變性能一般比熱塑性塑料的好;橡膠硫化(交聯(lián))的目的之一就是要消除因粘性流動(dòng)引起的蠕變。應(yīng)力松弛是維持物體恒定應(yīng)變所需的應(yīng)力隨時(shí)間衰減的現(xiàn)象.2.應(yīng)力松弛初始應(yīng)力，產(chǎn)生普彈形變和部分高彈形變。應(yīng)力的繼續(xù)作用，高彈形變和粘性流動(dòng)形變將隨時(shí)間而增加。維持形變不變，減小應(yīng)力，彈性形變減小，而粘性形變逐漸提高至應(yīng)力為零。高聚物的蠕變行為與高分子的鏈結(jié)構(gòu)與聚集態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)，也與溫度、8交聯(lián)高聚物不可能產(chǎn)生粘性流動(dòng)形變，應(yīng)力不可能松弛到零。表征高聚物應(yīng)力松弛特性的物理量是應(yīng)力松弛模量:一切加速蠕變過程的因素同樣加速應(yīng)力松弛過程。交聯(lián)高聚物不可能產(chǎn)生粘性流動(dòng)形變，應(yīng)力不可能松弛到零。表征高99.4高聚物的應(yīng)力--應(yīng)變行為1.高聚物的應(yīng)力-應(yīng)變行為高聚物室溫下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線:(1)剛而脆，如聚苯乙烯塑料;(2)剛而強(qiáng)，如有機(jī)玻璃、硬聚氯乙烯等;(3)軟而韌，如橡膠材料;(4)剛而韌，如聚碳酸醋和一些部分結(jié)晶高聚物.9.4高聚物的應(yīng)力--應(yīng)變行為1.高聚物的應(yīng)力-應(yīng)變行102.高聚物的屈服與冷拉許多高聚物在一定的條件下能屈服。有些屈服后產(chǎn)生很大的塑性形變。本質(zhì)不同于金屬材料的屈服。玻璃態(tài)高聚物在Tb-Tg之間和部分結(jié)晶高聚物在Tb-Tm之間典型的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及試樣形狀的變化過程。高聚物的屈服現(xiàn)象是拉伸中出現(xiàn)的細(xì)頸現(xiàn)象。它是獨(dú)特的力學(xué)行為。2.高聚物的屈服與冷拉許多高聚物在一定的條件下能屈服。有些11如果對拉伸試樣在拉斷前卸載，或試樣因拉斷而卸載，則拉伸中產(chǎn)生的大形變除少量可回復(fù)之外，大部分形變都將殘留下來。這樣一個(gè)拉伸形變過程稱為冷拉。并不是所有的高聚物材料都表現(xiàn)出屈服過程，這是由于溫度和時(shí)間對高聚物的性能的影響掩蓋了屈服行為的普遍性，有的高聚物出現(xiàn)細(xì)頸和冷拉，而有的高聚物脆性易斷。冷拉非晶態(tài)高聚物冷拉后殘留的形變基本上全能回復(fù)。說明非晶態(tài)高聚物冷拉中產(chǎn)生的形變屬高彈形變范疇。這種處于玻璃態(tài)的高聚物在外力作用下被迫產(chǎn)生的高彈形變稱為強(qiáng)迫高彈形變。部分結(jié)晶高聚物冷拉后殘留的形變中大部分必須在溫度升高到Tm附近才能回復(fù)。如果對拉伸試樣在拉斷前卸載，或試樣因拉斷而卸載，則拉伸中產(chǎn)生123.高聚物的斷裂斷裂方式有脆性斷裂和韌性斷裂

(1)脆性斷裂銀紋的形成是玻璃態(tài)高聚物脆性斷裂的先兆。裂紋是通過銀紋擴(kuò)展的.聚苯乙烯板中的銀紋

（a）中箭頭指主應(yīng)力方向；（b）其中一段的放大照片(a)(b)銀紋的出現(xiàn)標(biāo)志著材料已受損傷，對材料強(qiáng)度有不良的影響；高分子材料是脆性裂斷還是延性裂斷，取決于裂尖出現(xiàn)銀紋區(qū)還是塑性區(qū)這兩種過程的競爭。3.高聚物的斷裂斷裂方式有脆性斷裂和韌性斷裂(1)脆性斷13第9章-高聚物的力學(xué)性能ppt課件14高聚物在斷裂之前都要經(jīng)歷宏觀的大形變過程。引起高分子鏈或晶片沿應(yīng)力方向的高度取向。當(dāng)應(yīng)力水平超過取向材料的強(qiáng)度時(shí)發(fā)生斷裂--韌性斷裂。脆性：σ-ε的關(guān)系是線性(或微曲)斷裂應(yīng)變低于5％,斷裂能不大,斷裂面光滑韌性：σ-ε關(guān)系非線性斷裂前形變大得多,斷裂能很大，斷裂面粗糙(2)韌性斷裂對高聚物材料，脆性還是韌性極大地取決于實(shí)驗(yàn)條件：主要看溫度和測試速率。在恒定的應(yīng)變速率下：低溫脆性形式向高溫韌性形式轉(zhuǎn)變在恒定溫度下：應(yīng)變速率上伸，表現(xiàn)為脆性形式；應(yīng)變速率下降，表現(xiàn)為韌性形式高聚物在斷裂之前都要經(jīng)歷宏觀的大形變過程。引起高分子鏈或晶脆154.高聚物的結(jié)構(gòu)因素對應(yīng)力-應(yīng)變行為的影響

(1)相對分子質(zhì)量主要影響高聚物材料的強(qiáng)度。當(dāng)相對分子質(zhì)量較低時(shí)，強(qiáng)度隨其增加而提高。增加到一定程度后，增加趨勢變得較平緩。(2)結(jié)晶影響:①結(jié)晶度隨著結(jié)晶度的增加，屈服應(yīng)力、強(qiáng)度、模量都提高，而斷裂伸長率和沖擊強(qiáng)度降低。②球晶大小球晶小而均勻，材料性能好。(3)取向造成材料性能的各向異性。單軸取向，取向方向上的強(qiáng)度和模量提高;垂直方向上的強(qiáng)度降低，模量變化不太大;屈服應(yīng)力在各個(gè)方向上相差很大。雙軸取向時(shí)，平面內(nèi)各個(gè)方向上的強(qiáng)度和模量提高，厚度方向上強(qiáng)度下降。雙軸取向還能使某些脆性材料轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性材料。(4)交聯(lián)交聯(lián)對玻璃態(tài)高聚物的模量和強(qiáng)度影響不大。對橡膠材料的影響較大。一般隨交聯(lián)密度的增加，橡膠的模量提高，強(qiáng)度在某一交聯(lián)密度達(dá)到極大。4.高聚物的結(jié)構(gòu)因素對應(yīng)力-應(yīng)變行為的影響(1)相對分16

(4)交聯(lián)交聯(lián)對玻璃態(tài)高聚物的模