高分子材料力学强度
第三节 高分子材料的力学强度
在高分子材料诸多应用中，作为结构材料使用是其最常见、最重要的应用。在许多领域，高分子材料已成为金属、木材、陶瓷、玻璃等的代用品。之所以如此，除去它具有制造加工便利、质轻、耐化学腐蚀等优点外，还因为它具有较高的力学强度和韧性。理论上，根据完全伸直链晶胞参数求得的聚乙烯最高理论强度达1.9x104MPa ，是钢丝的几十倍。实验室中，已经获得高拉伸聚酰胺纤维在液氮中的最高实际强度达2.3x103MPa 。
为了评价高分子材料使用价值，扬长避短地利用、控制其强度和破坏规律，进而有目的地改善、提高材料性能，需要掌握高分子材料力学强度变化的宏观规律和微观机理。本节一方面介绍描述高分子材料宏观力学强度的物理量和演化规律；另一方面从分子结构特点探讨影响高分子材料力学强度的因素，为研制设计性能更佳的材料提供理论指导。鉴于高分子材料力学状态的复杂性，以及力学状态与外部环境条件密切相关，高分子材料的力学强度和破坏形式也必然与材料的使用环境和使用条件有关。
一、高分子材料的拉伸应力-应变特性
（一） 应力－应变曲线及其类型
测量材料的应力-应变特性是研究材料强度和破坏的重要实验手段。一般是将材料制成标准试样，以规定的速度均匀拉伸，测量试样上的应力、应变的变化，直到试样破坏。常用的哑铃型标准试样如图4-26所示，试样中部为测试部分，标距长度为l 0，初始截面积为A 0。
图4-26 哑铃型标准试样
设以一定的力F 拉伸试样，使两标距间的长度增至l ，定义试样中的应力和应变为：
A F =σ （4-57） 000l l l l l ?=-=
ε （4-58） 注意此处定义的应力σ等于拉力除以试样原始截面积A 0，这种应力称工程应力或公称应力，并不等于材料所受的真实应力。同样这儿定义的应变为工程应变，属于应变的Euler 度量。典型高分子材料拉伸应力-应变曲线如图4-27所示。
图4-27 典型的拉伸应力-应变曲线
图中曲线有以下几个特征：OA 段，为符合虎克定律的弹性形变区，应力－应变呈直线关系变化，直线斜率E d d =εσ相当于材料弹性模量。越过A 点，应力－应变曲线偏离直线，说明材料开始发生塑性形变，极大值Y 点称材料的屈服点，其对应的应力、应变分别称屈服应力（或屈服强度）y σ和屈服应变y ε。发生屈服时，试样上某一局部会出现“细颈”
现象，材料应力略有下降，发生“屈服软化”。而后随着应变增加，在很长一个范围内曲线基本平坦，“细颈”区越来越大。直到拉伸应变很大时，材料应力又略有上升（成颈硬化），到达B 点发生断裂。与B 点对应的应力、应变分别称材料的拉伸强度（或断裂强度）B σ和断裂伸长率B ε，它们是材料发生破坏的极限强度和极限伸长率。曲线下的面积等于
?=B
d W εεσ0 （4-59） 相当于拉伸试样直至断裂所消耗的能量，单位为J ?m -3，称断裂能或断裂功。它是表征材料韧性的一个物理量。
由于高分子材料种类繁多，实际得到的材料应力－应变曲线具有多种形状。归纳起来，可分为五类（图4-28）。
图4-28 高分子材料应力-应变曲线的类型
（1）硬而脆型 此类材料弹性模量高（OA 段斜率大）而断裂伸长率很小。在很小应变下，材料尚未出现屈服已经断裂，断裂强度较高。在室温或室温之下，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、酚醛树脂等表现出硬而脆的拉伸行为。
（2）硬而强型 此类材料弹性模量高，断裂强度高，断裂伸长率小。通常材料拉伸到屈服点附近就发生破坏（B ε大约为5%）。硬质聚氯乙烯制品属于这种类型。
（3）硬而韧型 此类材料弹性模量、屈服应力及断裂强度都很高，断裂伸长率也很大，应力－应变曲线下的面积很大，说明材料韧性好，是优良的工程材料。硬而韧的材料，在拉伸过程中显示出明显的屈服、冷拉或细颈现象，细颈部分可产生非常大的形变。随着形变的增大，细颈部分向试样两端扩展，直至全部试样测试区都变成细颈。很多工程塑料如聚酰胺、聚碳酸酯以及醋酸纤维素、硝酸纤维素等属于这种材料。
（4）软而韧型 此类材料弹性模量和屈服应力较低，断裂伸长率大（20%～1000%），断裂强度可能较高，应力－应变曲线下的面积大。各种橡胶制品和增塑聚氯乙烯具有这种应力－应变特征。
（5）软而弱型 此类材料弹性模量低，断裂强度低，断裂伸长率也不大。一些聚合物软凝胶和干酪状材料具有这种特性。
实际高分子材料的拉伸行为非常复杂，可能不具备上述典型性，或是几种类型的组合。例如有的材料拉伸时存在明显的屈服和“颈缩”，有的则没有；有的材料断裂强度高于屈服强度，有的则屈服强度高于断裂强度等。材料拉伸过程还明显地受环境条件（如温度）和测试条件（如拉伸速率）的影响，硬而强型的硬质聚氯乙烯制品在很慢速率下拉伸也会发生大于100%的断裂伸长率，显现出硬而韧型特点。因此规定标准的实验环境温度和标准拉伸速率是很重要的。
（二） 影响拉伸行为的外部因素
1、温度的影响
环境温度对高分子材料拉伸行为的影响十分显著。温度升高，分子链段热运动加剧，松弛过程加快，表现出材料模量和强度下降，伸长率变大，应力－应变曲线形状发生很大变化。图4-29是聚甲基丙烯酸甲酯在不同温度下的应力－应变曲线。图中可见，随着温度升高，
高分子材料典型力学性能测试实验
《高分子材料典型力学性能测试实验》实验报告 学号姓名专业班级 实验地点指导教师实验时间 在这一实验中将选取两种典型的高分子材料力学测试实验，即拉伸实验及冲 击试验作为介绍。 实验一：高分子材料拉伸实验 一、实验目的 （1）熟悉高分子材料拉伸性能测试标准条件、测试原理及其操作，了解测 试条件对测定结果的影响。 （2）通过应力—应变曲线，判断不同高分子材料的性能特征。 二、实验原理 在规定的实验温度、湿度和实验速率下，在标准试样（通常为哑铃形）的 两端沿轴向施加载荷直至拉断为止。拉伸强度定义为断裂前试样承受最大载荷与试样的宽度和厚度的乘积的比值。实验不仅可以测得拉伸强度，同时可得到断裂伸长率和拉伸模量。 玻璃态聚合物在拉伸时典型的应力-应变曲线如下：
是在较低温度下出现的不均匀拉伸，所以又称为冷拉。 将试样夹持在专用夹具上，对试样施加静态拉伸负荷，通过压力传感器、 形变测量装置以及计算机处理，测绘出试样在拉伸变形过程中的拉伸应力—应变曲线，计算出曲线上的特征点如试样直至断裂为止所承受的最大拉伸应力（拉伸强度）、试样断裂时的拉伸应力（拉伸断裂应力）、在拉伸应力－应变曲线上屈服 点处的应力（拉伸屈服应力）和试样断裂时标线间距离的增加量与初始标距之比（断裂伸长率，以百分数表示）。所涉及的相关计算公式： （1）拉伸强度或拉伸断裂应力或拉伸屈服应力或偏置屈服应力σt σt 按式（1）计算： （1） 式中σt—抗拉伸强度或拉伸断裂应力或拉伸屈服应力或偏置屈服应力，MPa； p—最大负荷或断裂负荷或屈服负荷或偏置屈服负荷，N； b—实验宽度，mm；d—试样厚度，mm。 （2）断裂伸长率εt εt 按式（2）计算： 式中εt——断裂伸长率，％；
4 高分子的热运动与力学状态
第四章 高分子的热运动与力学状态 第一部分 主要内容 §5.1 分子运动的特点： 一、运动单元的多重性： 整链 链段协同运动粘流态链段以下单元链段运动高弹态以下单元正常情况下运动链段玻璃态键长 侧基链段晶胞片晶球晶结晶态>--:,:)(:,,,,,: 二. 运动与时间有依赖性： 力学松弛:高聚物从一种平衡态，通过分子运动到另一种平衡态，需要一定时间，这个过程叫松弛，把松弛进行到原来 e 1 所需的时间叫松弛时间τ。 三．运动与T 有依赖性： T ↑ 方程 分子间的自由空间增大聚合物体积膨胀分子运动单元活化WLF e RT E --=→?,/0ττ Ln( s ττ )=-) ()(21Ts T c Ts T c -+- C 1,C 2为常数 T ——试验温度Ts ——参考温度 τ、τs ——为T 、Ts 对应松弛时间
§5.2 高聚物的力学转变与力学状态 一、热机实验与热机曲线 热机实验： 某试样在一定的应力作用下，以一定的应力速度测试样的形变与的关系。热机曲线： 对试样施加一恒定应力，观察形变与的关系，得到曲线叫热机曲线。二、线性非晶高聚物的两个转变和三个力学状态 三、结晶高聚物的ε-T曲线 §5.3 高聚物的玻璃化转变测量方法及转变理论 一、测量Tg的方法简介 1、利用体积变化A、比容-温度，（体积-温度） B、与体积相关，折光指数导热系数 2、利用热力学性质变化——比热-（DSC） 3、利用力学性质的变化——A 、静态——热机曲线 B、动态：动态粘弹谱、扭摆
4、利用电磁性质变化——NMR 二、玻璃化转变理论（自由体积理论） 自由体积——高聚物的体积分成两部分：一部分石碑分子占据的体积；另一部分则未被占据的体积叫自由体积。 玻璃化转变总体积 V Tg =V 0+(g f g V Tg dT dV +) 其中V f g :玻璃化转变时对应自由体积 高弹态时的总体积 Vr=V Tg +)()( Tg T dT dV r - 此时自由体积 V f.r = Vr-V 占 [V 占= V 0+T g dT dV )( ] =Vg+(T-Tg)(r dT dV )-[V 0+T g dT dV )(] =g dT dV )(Tg+V f g +(T-Tg) (r dT dV )-T g dT dV )( =V f g +(T-Tg)+[ (r dT dV )-g dT dV )( )] 两边同除Vg 则 Vg Vf.r =Vg V g f +(T-Tg)[V g 1 ( r dT dV )-Vg 1g dT dV )(] 令αr= Vg 1( r dT dV ): 高弹态体积膨胀系数 αg= Vg 1g dT dV )(: 玻璃态体积膨胀系数 高弹态自由体积膨胀系数 f=Vg Vf.r =Vg V g f +(T-Tg)( αr-αg) Tg 附近 f=f g +( αr-αg) (T-Tg) 令αf =( αr-αg) 自由体积膨胀系数
高分子材料的结构和力学特性与材料力学试验机设计
高分子材料的结构和力学特性与材料力学试验机设计郑州大学材料科学与工程学院王经武宫瑾 ［摘要］简要论述了高分子材料的化学结构、高分子的聚集态结构、高分子的分子运动、高分子材料的力学状态及高分子材料力学性能的特点，提出了材料力学试验机设计的一些想法。 ［关键词］高分子材料、结构、力学性能、试验机、设计 合成有机高分子材料及以其为基体的高分子复合材料，虽然生产和应用的历史比较短， 但已在工业、农业、交通运输、国防建设、人们的物质和文化生活等领域广泛应用，已成为国民经济和高新技术的重要支柱，并以比较高的速度发展。之所以如此，就在于这一类材料具有独特的结构、分子运动、力学状态和性能。 一．高分子材料的结构和力学特性 1．高分子材料结构的特点 从化学结构来看，高分子材料有与金属、无机非金属材料相同的，即也是通过化学键 将原子或离子连接在一起构成分子的，但与金属、无机非金属材料有突出的差别：其一，高分子的分子量相当大，一般呈长、径比极其悬殊的长链状，有的还带有支链，还有一些高分子呈星形、梯形、螺构形、树形等；其二，一般的合成高分子，也有一些天然高分子，分子量是不均一的，其大小呈一定类型、一定宽度的分布；其三，化学结构复杂、多变。如聚氯乙烯（PVC），高分子链不一定全是氯乙烯单体单元键接构成的，中间可能有“杂结构”；将 氯乙烯单体单元带氯原子的一端叫“头”，另一端叫“尾”，键接成高分子链时不一定全是头 －尾、头－尾键接，还可能有头－头、尾－尾键接。正是由于化学结构的特殊性，也带来分子聚集态结构的一些特殊性。 从高分子的聚集态结构来看，高分子材料有与金属、无机非金属材料相同的，如都有结 晶态、非结晶态等，但还有非常显著的特殊性：其一，一些高分子材料制品呈取向态聚集态结构，赋予了能满足使用要求的性能，如纤维、打包带、捆扎用的撕裂膜以及塑料薄膜、塑料瓶、塑料桶等。一般的非取向态高分子材料在合适条件下拉伸时，也可以由非取向态聚集态结构转变为取向态聚集态结构。取向单元可以是大分子和/或链段和/或微晶的某一晶轴或某一晶面；其二，结晶聚合物一般都是晶区、非晶区两相共存，不会是100％的高分子都排入晶格，有“结晶度”这一概念。结晶结构的完整程度比小分子晶体的差，结晶结构完整程度分散性大，结晶形态多样，其中伸直链晶体、串晶、柱晶、纤维晶、捆束晶等都是小分子晶体不具有的。小分子晶体晶格结点上排布的是分子或离子或原子，高分子晶体除极个别的本文版权归新三思集团公司及作者本人所有，转载必究。 外，晶格结点上排布的不是一个个高分子，而是某种周期性重复的结构单元，晶胞结构具有显著的各向异性，只有6 种晶系。晶体之间有分子链相互连接；其三，非结晶聚合物中高分子排列的局部有序程度比非结晶小分子物质的大一些。 正是由于结构上的这些特点，决定了高分子分子运动的一些特殊性。 2．高分子分子运动的特点 高分子的运动单元具有多重性：微晶、高分子、链段、曲柄、链节、支链、侧基、键长、键角等。 在外力的作用下，通过高分子一些运动单元的转动、移动（重排运动）等热运动，所发 生的形变一般不主要是键长、键角或/和分子之间距离的变化贡献的，而是高分子构象状态（空间形态）变化贡献的。
高分子材料力学性能
高分子材料力学性能 姓名：程小林学号：5701109004 班级：高分子091 学院：材料学院 研究背景：在世界范围内, 高分子材料的制品属於最年轻的材料．它不仅遍及各个工业领域, 而且已进入所有的家庭, 其产量已有超过金属材料的趋势, 將是２１世纪最活跃的材料支柱．高分子材料在我们身边随处可见。在我们的认识中，高分子材料是以高分子化合物为基础的材料。高分子材料按特性分为橡胶、纤维、塑料、高分子胶粘剂、高分子涂料和高分子基复合材料。今天，我想就高分子材料为主线，简单研究一下高分子材料所具有的一些方面的力学性能。 从我们以前学过的化学知识中可以知道，高分子材料其实是有机化合物, 有机化合物是碳元素的化合物．除碳原子外, 其他元素主要是氢、氧、氮等．碳原子与碳原子之间, 碳原子与其他元素的原子之间, 能形成稳定的结构．碳原子是四价, 每个一价的价键可以和一个氢原子键连接, 所以可形成为数众多的、具有不同结构的有机化合物．有机化合物的总数已接近千万种, 远远超过其他元素的化合物的总和, 而且新的有机化合物还不断地被合成出來．這样, 由於不同的特殊结构的形成, 使有机化合物具有很独特的功能．高分子中可以把某些有机物结构（又称为功能团）替换, 以改变高分子的特性．高分
子具有巨大的分子量, 达到至少１万以上, 或几百万至千万以上, 所以, 人們將其称为高分子、大分子或高聚物．高分子材料包括三大合成材料, 即塑料、合成纤维和合成橡胶 研究理论：高分子材料的使用性能包括物理、化学、力学等性能。对于用于工程中作为构件和零件的结构高分子材料，人们最关心的是它的力学性能。力学性能也称为机械性能。任何材料受力后都要产生变形，变形到一定程度即发生断裂。这种在外载作用下材料所表现的变形与断裂的行为叫力学行为，它是由材料内部的物质结构决定的，是材料固有的属性。同时, 环境如温度、介质和加载速率对于高分子材料的力学行为有很大的影响。因此高分子材料的力学行为是外加载荷与环境因素共同作用的结果。聚合物材料力学性能是材料抵抗外加载荷引起的变形和断裂的能力。 在力学性能方面，它的高弹性、粘弹性和其力学性能对时间与温度强烈的依赖关系，是这类材料与金属材料显著的差别。高分子材料可以分为工程塑料、橡胶和合成纤维三大类，其中工程塑料可作为工程结构材料使用。工程塑料是热塑性材料和热固性材料总称。按力学性能可分为两类，一类是塑性很好，延伸率可达几十～几百％，一部分热塑性材料属于这种情况；一类是比较脆，其拉伸过程简单，拉伸曲线与铸铁类似，热固性材料都属于这种情况。 高分子材料拉伸试件一般为矩形截面的板状试件。试件形状和尺寸的设计可参考金属材料。 聚合物材料的力学性能通过材料的强度、刚度、硬度、塑性、韧
高分子材料力学性能
高分子材料的力学性能及表征方法 用途 聚合物的力学性能是高分子聚合物在作为高分子材料使用时所要考虑的最主要性能。它牵涉到高分子新材料的材料设计，产品设计以及高分子新材料的使用条件。因此了解聚合物的力学性能数据，是我们掌握高分子材料的必要前提。聚合物力学性能数据主要是模量（E），强度（σ），极限形变（ε）及疲劳性能（包括疲劳极限和疲劳寿命）。由于高分子材料在应用中的受力方式不同，聚合物的力学性能表征又按不同受力方式定出了拉伸（张力）、压缩、弯曲、剪切、冲击、硬度、摩擦损耗等不同受力方式下的表征方法及相应的各种模量、强度、形变等可以代表聚合物受力不同的各种数据。由于高分子材料类型的不同，实际应用及受力情况有很大的差变，因此对不同类型的高分子材料，又有各自的特殊表征方法、例纤维、橡胶的力学性能表征。 表征方法及原理 （1）拉伸性能的表征 用万能材料试验机，换上拉伸实验的样品夹具，在恒定的温度、湿度和拉伸速度下，对按一定标准制备的聚合物试样进行拉伸，直至试样被拉断。仪器可自动记录被测样品在不同拉伸时间样品的形变值和对应此形变值样品所受到的拉力（张力）值，同时自动画出应力－应变曲线。根据应力-应变曲线，我们可找出样品的屈服点及相应的屈服应力值，断裂点及相应的断裂应力值，样品的断裂伸长值。将屈服应力，断裂应力分别除以样品断裂处在初制样时样品截面积，即可分别求出该聚合物的屈服强度σ屈和拉伸强度（抗张强度）σ拉值。样品断裂伸长值除以样品原长度，即是聚合物的断裂伸长率ε。应力－应变曲线中，对应小形变的曲线中（即曲线中直线部分）的斜率，即是聚合物的拉伸模量（也称抗张模量）E值。聚合物试样拉伸断裂时，试样断面单维尺寸（厚或宽的尺寸）的变化值除以试样的断裂伸长率ε值，即为聚合物样品的“泊松比”（μ）的数值。 （2）压缩性能、弯曲性能、剪切性的表征。 用万能材料试验机，分别用压缩试验，弯曲试验，剪切试验的样品夹具，在恒定的温度、湿度及应变速度下进行不同方式的力学试验。并根据不同的计算公式，求出聚合物的压缩模量、压缩强度、弯曲模量、弯曲强度、剪切模量、剪切强度等数据。 （3）冲击性能的表征。
高分子材料力学强度
第三节 高分子材料的力学强度 在高分子材料诸多应用中，作为结构材料使用是其最常见、最重要的应用。在许多领域，高分子材料已成为金属、木材、陶瓷、玻璃等的代用品。之所以如此，除去它具有制造加工便利、质轻、耐化学腐蚀等优点外，还因为它具有较高的力学强度和韧性。理论上，根据完全伸直链晶胞参数求得的聚乙烯最高理论强度达1.9x104MPa ，是钢丝的几十倍。实验室中，已经获得高拉伸聚酰胺纤维在液氮中的最高实际强度达2.3x103MPa 。 为了评价高分子材料使用价值，扬长避短地利用、控制其强度和破坏规律，进而有目的地改善、提高材料性能，需要掌握高分子材料力学强度变化的宏观规律和微观机理。本节一方面介绍描述高分子材料宏观力学强度的物理量和演化规律；另一方面从分子结构特点探讨影响高分子材料力学强度的因素，为研制设计性能更佳的材料提供理论指导。鉴于高分子材料力学状态的复杂性，以及力学状态与外部环境条件密切相关，高分子材料的力学强度和破坏形式也必然与材料的使用环境和使用条件有关。 一、高分子材料的拉伸应力-应变特性 （一） 应力－应变曲线及其类型 测量材料的应力-应变特性是研究材料强度和破坏的重要实验手段。一般是将材料制成标准试样，以规定的速度均匀拉伸，测量试样上的应力、应变的变化，直到试样破坏。常用的哑铃型标准试样如图4-26所示，试样中部为测试部分，标距长度为l 0，初始截面积为A 0。 图4-26 哑铃型标准试样 设以一定的力F 拉伸试样，使两标距间的长度增至l ，定义试样中的应力和应变为： A F =σ （4-57） 000l l l l l ?=-= ε （4-58） 注意此处定义的应力σ等于拉力除以试样原始截面积A 0，这种应力称工程应力或公称应力，并不等于材料所受的真实应力。同样这儿定义的应变为工程应变，属于应变的Euler 度量。典型高分子材料拉伸应力-应变曲线如图4-27所示。 图4-27 典型的拉伸应力-应变曲线 图中曲线有以下几个特征：OA 段，为符合虎克定律的弹性形变区，应力－应变呈直线关系变化，直线斜率E d d =εσ相当于材料弹性模量。越过A 点，应力－应变曲线偏离直线，说明材料开始发生塑性形变，极大值Y 点称材料的屈服点，其对应的应力、应变分别称屈服应力（或屈服强度）y σ和屈服应变y ε。发生屈服时，试样上某一局部会出现“细颈”
高分子材料的主要物理性能汇总
第四章 高分子材料的主要物理性能 高分子材料与小分子物质相比具有多方面的独特性能，其性能的复杂性源自于其结构 的特殊性和复杂性。联系材料微观结构和宏观性质的桥梁是材料内部分子运动的状态。一种结构确定的材料，当分子运动形式确定，其性能也就确定；当改变外部环境使分子运动状态变化，其物理性能也将随之改变。这种从一种分子运动模式到另一种模式的改变，按照热力学的观点称作转变；按照动力学的观点称作松弛。例如天然橡胶在常温下是良好的弹性体，而在低温时（＜-100℃）失去弹性变成玻璃态（转变）。在短时间内拉伸，形变可以恢复；而在长时间外力作用下，就会产生永久的残余形变（松弛）。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA ）在常温下是模量高、硬而脆的固体，当温度高于玻璃化温度（～100℃）后，大分子链运动能力增强而变得如橡胶般柔软；温度进一步升高，分子链重心能发生位移，则变成具有良好可塑性的流体。 本着“结构?分子运动?物理性能”这样一条思维线路，本章有选择地介绍高分子材料的热性能、力学性能、高弹性和粘弹性、溶液性质、流变性质、电学性能等。同时通过介绍结构与性能的关系，帮助我们根据使用环境和要求，有目的地选择、使用、改进和设计高分子材料，设计和改进加工工艺和设备，扩大高分子材料使用范围。 第一节 高分子材料的分子运动、力学状态转变及热性能 一、高分子运动的特点 与低分子材料相比，高分子材料的分子热运动主要有以下特点： （一）运动单元和模式的多重性 高分子的结构是多层次、多类型的复杂结构，决定着其分子运动单元和运动模式也是多层次、多类型的，相应的转变和松弛也具有多重性。从运动单元来说，可以分为链节运动、链段运动、侧基运动、支链运动、晶区运动以及整个分子链运动等。从运动方式来说，有键长、键角的变化，有侧基、支链、链节的旋转和摇摆运动，有链段绕主链单键的旋转运动，有链段的跃迁和大分子的蠕动等。 在各种运动单元和模式中，链段的运动最为重要，高分子材料的许多特性均与链段的运动有直接关系。链段运动状态是判断材料处于玻璃态或高弹态的关键结构因素；链段运动既可以引起大分子构象变化，也可以引起分子整链重心位移，使材料发生塑性形变和流动。 （二）分子运动的时间依赖性 在外场作用下，高分子材料从一种平衡状态通过分子运动而转变到另一种平衡状态是需要时间的，这种时间演变过程称作松弛过程，所需时间称松弛时间。例如将一根橡胶条一端固定，另一端施以拉力使其发生一定量变形。保持该形变量不变，但可以测出橡胶条内的应力随拉伸时间仍在变化。相当长时间后，内应力才趋于稳定，橡胶条达到新的平衡。 设材料在初始平衡态的某物理量（例如形变量、体积、模量、介电系数等）的值为x 0，在外场作用下，到t 时刻该物理量变为x （t ），许多情况下x （t ）与x 0满足如下关系： ()τ/0t e x t x -= （4-1） 公式（4-1）实质上描述了一种松弛过程，式中τ称松弛时间。当t =τ时，()e x x /0=τ，可见松弛时间相当于x 0变化到x 0/e 时所需要的时间。 低分子物质对外场的响应往往是瞬时完成的，因此松弛时间很短，而高分子材料的松弛时间可能很长。高分子的这种松弛特性来源于其结构特性，由于分子链的分子量巨大，几
高分子化学与物理(高分子的热运动、力学状态及其转变)-试卷1
高分子化学与物理（高分子的热运动、力学状态及其转变）-试 卷1 (总分：78.00，做题时间：90分钟) 一、名词解释题(总题数：15，分数：30.00) 1.玻璃化转变； （分数：2.00） __________________________________________________________________________________________ 正确答案：(正确答案：玻璃化转变：玻璃态和高弹态之间的转变。) 解析： 2.黏流转变； （分数：2.00） __________________________________________________________________________________________ 正确答案：(正确答案：黏流转变：高弹态和黏流态之间的转变。) 解析： 3.次级转变； （分数：2.00） __________________________________________________________________________________________ 正确答案：(正确答案：次级转变：在玻璃化温度下与小尺寸运动单元的运动所对应的松弛转变。) 解析： 4.结晶熔融； （分数：2.00） __________________________________________________________________________________________ 正确答案：(正确答案：结晶熔融：熔融是物质从结晶状态变为液态的过程。熔融是结晶的逆过程。) 解析： 5.平衡熔点； （分数：2.00） __________________________________________________________________________________________ 正确答案：(正确答案：平衡熔点：在平衡熔点，晶相和非晶相达到热力学平衡，自由能变化△G=0。) 解析： 6.熔限； （分数：2.00） __________________________________________________________________________________________ 正确答案：(正确答案：熔限：从熔融开始到完全熔融的温度范围。) 解析： 7.松弛过程； （分数：2.00） __________________________________________________________________________________________ 正确答案：(正确答案：松弛过程：在一定的温度和外场(力场、电场、磁场)作用下，聚合物从一种平衡态通过分子运动过渡到另一种与外界条件相适应的平衡态总是需要时间的现象(无法瞬时完成)。) 解析： 8.表观黏度； （分数：2.00） __________________________________________________________________________________________ 正确答案：(正确答案：表观黏度：在中等剪切速率范围(非牛顿区)内流体所受到的剪切应力与剪切速率的比值。)
高分子材料的主要物理性能
第四章 高分子材料的主要物理性能 高分子材料与小分子物质相比具有多方面的独特性能，其性能的复杂性源自于其结构 的特殊性和复杂性。联系材料微观结构和宏观性质的桥梁是材料部分子运动的状态。一种结构确定的材料，当分子运动形式确定，其性能也就确定；当改变外部环境使分子运动状态变化，其物理性能也将随之改变。这种从一种分子运动模式到另一种模式的改变，按照热力学的观点称作转变；按照动力学的观点称作松弛。例如天然橡胶在常温下是良好的弹性体，而在低温时（＜-100℃）失去弹性变成玻璃态（转变）。在短时间拉伸，形变可以恢复；而在长时间外力作用下，就会产生永久的残余形变（松弛）。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA ）在常温下是模量高、硬而脆的固体，当温度高于玻璃化温度（～100℃）后，大分子链运动能力增强而变得如橡胶般柔软；温度进一步升高，分子链重心能发生位移，则变成具有良好可塑性的流体。 本着“结构?分子运动?物理性能”这样一条思维线路，本章有选择地介绍高分子材料的热性能、力学性能、高弹性和粘弹性、溶液性质、流变性质、电学性能等。同时通过介绍结构与性能的关系，帮助我们根据使用环境和要求，有目的地选择、使用、改进和设计高分子材料，设计和改进加工工艺和设备，扩大高分子材料使用围。 第一节 高分子材料的分子运动、力学状态转变及热性能 一、高分子运动的特点 与低分子材料相比，高分子材料的分子热运动主要有以下特点： （一）运动单元和模式的多重性 高分子的结构是多层次、多类型的复杂结构，决定着其分子运动单元和运动模式也是多层次、多类型的，相应的转变和松弛也具有多重性。从运动单元来说，可以分为链节运动、链段运动、侧基运动、支链运动、晶区运动以及整个分子链运动等。从运动方式来说，有键长、键角的变化，有侧基、支链、链节的旋转和摇摆运动，有链段绕主链单键的旋转运动，有链段的跃迁和大分子的蠕动等。 在各种运动单元和模式中，链段的运动最为重要，高分子材料的许多特性均与链段的运动有直接关系。链段运动状态是判断材料处于玻璃态或高弹态的关键结构因素；链段运动既可以引起大分子构象变化，也可以引起分子整链重心位移，使材料发生塑性形变和流动。 （二）分子运动的时间依赖性 在外场作用下，高分子材料从一种平衡状态通过分子运动而转变到另一种平衡状态是需要时间的，这种时间演变过程称作松弛过程，所需时间称松弛时间。例如将一根橡胶条一端固定，另一端施以拉力使其发生一定量变形。保持该形变量不变，但可以测出橡胶条的应力随拉伸时间仍在变化。相当长时间后，应力才趋于稳定，橡胶条达到新的平衡。 设材料在初始平衡态的某物理量（例如形变量、体积、模量、介电系数等）的值为x 0，在外场作用下，到t 时刻该物理量变为x （t ），许多情况下x （t ）与x 0满足如下关系： ()τ /0t e x t x -= （4-1） 公式（4-1）实质上描述了一种松弛过程，式中τ称松弛时间。当t =τ时，()e x x /0=τ，可见松弛时间相当于x 0变化到x 0/e 时所需要的时间。
高分子材料的力学强度
第三节 高分子材料的力学强度 在高分子材料诸多应用中，作为结构材料使用是其最常见、最重要的应用。在许多领域，高分子材料已成为金属、木材、陶瓷、玻璃等的代用品。之所以如此，除去它具有制造加工便利、质轻、耐化学腐蚀等优点外，还因为它具有较高的力学强度和韧性。理论上，根据完全伸直链晶胞参数求得的聚乙烯最高理论强度达1.9x104MPa ，是钢丝的几十倍。实验室中，已经获得高拉伸聚酰胺纤维在液氮中的最高实际强度达2.3x103MPa 。 为了评价高分子材料使用价值，扬长避短地利用、控制其强度和破坏规律，进而有目的地改善、提高材料性能，需要掌握高分子材料力学强度变化的宏观规律和微观机理。本节一方面介绍描述高分子材料宏观力学强度的物理量和演化规律；另一方面从分子结构特点探讨影响高分子材料力学强度的因素，为研制设计性能更佳的材料提供理论指导。鉴于高分子材料力学状态的复杂性，以及力学状态与外部环境条件密切相关，高分子材料的力学强度和破坏形式也必然与材料的使用环境和使用条件有关。 一、高分子材料的拉伸应力-应变特性 （一） 应力－应变曲线及其类型 测量材料的应力-应变特性是研究材料强度和破坏的重要实验手段。一般是将材料制成标准试样，以规定的速度均匀拉伸，测量试样上的应力、应变的变化，直到试样破坏。常用的哑铃型标准试样如图4-26所示，试样中部为测试部分，标距长度为l 0，初始截面积为A 0。 图4-26 哑铃型标准试样 设以一定的力F 拉伸试样，使两标距间的长度增至l ，定义试样中的应力和应变为： A F =σ （4-57） 000l l l l l ?=-= ε （4-58） 注意此处定义的应力σ等于拉力除以试样原始截面积A 0，这种应力称工程应力或公称应力，并不等于材料所受的真实应力。同样这儿定义的应变为工程应变，属于应变的Euler 度量。典型高分子材料拉伸应力-应变曲线如图4-27所示。 图4-27 典型的拉伸应力-应变曲线 图中曲线有以下几个特征：OA 段，为符合虎克定律的弹性形变区，应力－应变呈直线关系变化，直线斜率E d d =εσ相当于材料弹性模量。越过A 点，应力－应变曲线偏离直线，说明材料开始发生塑性形变，极大值Y 点称材料的屈服点，其对应的应力、应变分别称屈服应力（或屈服强度）y σ和屈服应变y ε。发生屈服时，试样上某一局部会出现“细颈”
高分子材料的力学性能及表征方法
高分子材料的力学性能及表征方法 聚合物的力学性能是高分子聚合物在作为高分子材料使用时所要考虑的最主要性能。它牵涉到高分子新材料的材料设计，产品设计以及高分子新材料的使用条件。因此了解聚合物的力学性能数据，是我们掌握高分子材料的必要前提。聚合物力学性能数据主要是模量（E），强度（σ），极限形变（ε）及疲劳性能（包括疲劳极限和疲劳寿命）。由于高分子材料在应用中的受力方式不同，聚合物的力学性能表征又按不同受力方式定出了拉伸（张力）、压缩、弯曲、剪切、冲击、硬度、摩擦损耗等不同受力方式下的表征方法及相应的各种模量、强度、形变等可以代表聚合物受力不同的各种数据。由于高分子材料类型的不同，实际应用及受力情况有很大的差变，因此对不同类型的高分子材料，又有各自的特殊表征方法、例纤维、橡胶的力学性能表征。 表征方法及原理 （1）拉伸性能的表征 用万能材料试验机，换上拉伸实验的样品夹具，在恒定的温度、湿度和拉伸速度下，对按一定标准制备的聚合物试样进行拉伸，直至试样被拉断。仪器可自动记录被测样品在不同拉伸时间样品的形变值和对应此形变值样品所受到的拉力（张力）值，同时自动画出应力－应变曲线。根据应力-应变曲线，我们可找出样品的屈服点及相应的屈服应力值，断裂点及相应的断裂应力值，样品的断裂伸长值。将屈服应力，断裂应力分别除以样品断裂处在初制样时样品截面积，即可分别求出该聚合物的屈服强度σ屈和拉伸强度（抗张强度）σ拉值。样品断裂伸长值除以样品原长度，即是聚合物的断裂伸长率ε。应力－应变曲线中，对应小形变的曲线中（即曲线中直线部分）的斜率，即是聚合物的拉伸模量（也称抗张模量）E值。聚合物试样拉伸断裂时，试样断面单维尺寸（厚或宽的尺寸）的变化值除以试样的断裂伸长率ε值，即为聚合物样品的“泊松比”（μ）的数值。 （2）压缩性能、弯曲性能、剪切性的表征。 用万能材料试验机，分别用压缩试验，弯曲试验，剪切试验的样品夹具，在恒定的温度、湿度及应变速度下进行不同方式的力学试验。并根据不同的计算公式，求出聚合物的压缩模量、压缩强度、弯曲模量、弯曲强度、剪切模量、剪切强度等数据。 （3）冲击性能的表征。 采用摆锤式冲击试验机，按一定标准制备样品，在恒定温度、湿度下，用摆锤迅速冲击被测试样，根据摆锤的质量和刚好使试样产生裂痕或破坏时的临界下落高度及被测样品的截面积，按一定公式计算聚合物试样的冲击强度（或冲击韧性单位为J/cm2）。 （4）聚合物单分子链的力学性能。 用原子力显微镜（AFM）。将聚合物样品配成稀溶液，铺展在干净玻璃片上，除去溶剂后得到一吸附在玻璃片上的聚合物薄膜（厚度约90mm）。用原子力显微镜针尖接触、扫描样品膜，由于针间与样品中高分子的相互作用，高分子链将被拉起，记录单个高分子链被拉伸时拉力的变化，直至拉力突然降至为零。可得到若干高分子链被拉伸时的拉伸力和拉伸长度曲线，由此曲线可估算单个高分子链的长度和单个高分子从凝聚态中被拉出时的“抗张强度”。所用仪器 万能材料试验机 摆锤式冲击试验机
4 高分子的热运动与力学状态
第四章高分子的热运动与力学状态 (56) §5.1 分子运动的特点： (56) 一、运动单元的多重性： (56) 二. 运动与时间有依赖性： (56) 三．运动与T有依赖性 (56) §5.2 高聚物的力学转变与力学状态 (57) 一、热机实验与热机曲线 (57) 二、线性非晶高聚物的两个转变和三个力学状态 (57) 三、结晶高聚物的ε-T曲线 (58) §5.3 高聚物的玻璃化转变测量方法及转变理论 (58) 一、测量Tg的方法简介 (58) 二、玻璃化转变理论（自由体积理论） (58) §5.4 影响聚合物转变温度的因素 (60) 一、影响T g的因素 (60) 二、影响T f的因素 (61)
第四章 高分子的热运动与力学状态 第一部分 主要内容 §5.1 分子运动的特点： 一、运动单元的多重性： 整链 链段协同运动 粘流态链段以下单元链段运动高弹态以下单元 正常情况下运动链段玻璃态键长 侧基链段晶胞片晶球晶结晶态>--:,:)(:,,,,,: 二. 运动与时间有依赖性： 力学松弛:高聚物从一种平衡态，通过分子运动到另一种平衡态，需要一定时间，这个过程叫松弛，把松弛进行到原来 e 1所需的时间叫松弛时间τ。 三．运动与T 有依赖性： T ↑ 方程 分子间的自由空间增大聚合物体积膨胀 分子运动单元活化WLF e RT E --=→?,/0ττ Ln( s ττ)=- ) () (21Ts T c Ts T c -+- C 1,C 2为常数 T ——试验温度Ts ——参考温度 τ、τs ——为T 、Ts 对应松弛时间
§5.2 高聚物的力学转变与力学状态 一、热机实验与热机曲线 热机实验： 某试样在一定的应力作用下，以一定的应力速度测试样的形变与的关系。热机曲线： 对试样施加一恒定应力，观察形变与的关系，得到曲线叫热机曲线。二、线性非晶高聚物的两个转变和三个力学状态
几个高分子材料力学性能的测试总结
3.7 硬度测试 定义 硬度的定义：指材料抵抗其它较硬物体压入其表面的能力。硬度值的大小是表示材料软硬程度有条件性的定量反映，本身不是一个单纯的确定的物理量，而是由材料弹性、塑性、韧性等一系列力学性能组成的综合指标. 不仅取决于材料，也取决于测量条件和方法 3.7.1 测量方法分类 （１）测定材料耐（球形或其它形状）顶针压入能力：布氏(Brinell)、维氏(Vickers)、努普(Knoop)、巴科尔(Barcol)、邵氏(Shore)、球压痕硬度； （２）测定材料对尖头或另一种材料的抗划痕性：比尔鲍姆(Bierbaum)硬度、莫氏(Mohs)硬度；（３）测定材料的回弹性：洛氏(Rockwell)硬度、邵氏反弹硬度 3.7.2 邵氏硬度 测量原理：邵氏硬度是将规定形状压针在标准弹簧压力作用下压入试样，把压入深度转换为硬度值来表示。有100个分度，表示不同的硬度，可以直接从邵氏硬度计上读取。 国标中应用两种：Ａ型适用于软质塑料和橡胶； D型适用于硬质塑料和橡胶。 *当A型测定读数大于90应改用D型，D型测定读数小于20时，改用A型。 3.7.2 邵氏硬度 2. 试样尺寸： A型硬度：试样厚度不小于5mm； D型硬度：厚度不小于3mm ?试样允许用两层，最多不超过三层叠合成所需厚度，保证各层间接触良好。 ?试样大小应保证每个测量点与试样边缘距离不小于12 mm，各测量点间距不小于6mm。 3.7 硬度测试 3. 仪器： ?压力：邵氏A为1kg 邵氏D为5 kg ?压头：D型硬度计相较A型硬度计的压针更加尖锐 3.7 硬度测试 3.7.2 邵氏硬度 4. 实验步骤 A 按规定调节试验环境。对于硬度与湿度无关的材料试验前，试样应在试验环境中至少放置1h。 B 将硬度计垂直安装在支架上，用厚度均匀的玻璃片平放在试样平台上，在相应重锤作用下使硬度计下压板与玻璃片完全接触，此时读数盘指针应指示“100”，当压针完全离开玻璃片，应指“0”，允许最大偏差为±1邵氏硬度值； C 试样置于试样平台上，缓慢均匀地加载，从下压板与试样完全接触15s后立即读数。若规定要瞬时读数，则在下压板与试样完全接触后1s内读数； D 在试样上相隔6mm以上的不同点处测量五次。 3.7.2 邵氏硬度 5. 结果计算： 读数度盘上得到的读数即为所测定的邵氏硬度值。 H A或H D 如：H A 50，H D 20等。