高分子材料的力学性能及表征方法
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2 1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。
4.高分子材料性能与表征
σ(t) σ(0)
模拟线形聚合物的应力松驰行为 模拟线形聚合物的应力松驰行为 线形聚合物
t
线形聚合物产生应力松弛的原因: 线形聚合物产生应力松弛的原因:试样所承受的应力 逐渐消耗于克服链段及分子链运动的内摩擦阻力 内摩擦阻力上 逐渐消耗于克服链段及分子链运动的内摩擦阻力上.
4.1.1粘弹性力学模型 粘弹性力学模型
可以得到聚合物粘弹性总的,定性的概括. 可以得到聚合物粘弹性总的,定性的概括. 基本元件: 基本元件: 弹簧: 弹簧: 理想弹性体) (理想弹性体) σ=Eε ε
粘壶: 粘壶: 理想粘性体) (理想粘性体)
dε σ=η dt
1. Maxwell 模型 一个弹簧与一个粘壶串联 串联组成 一个弹簧与一个粘壶串联组成
σ 对假塑性流体 η0 随 γ , 而 ,下降的程度与聚合物 下降的程度与聚合物 种类,分子量及分布有关. 种类,分子量及分布有关.
1~1.5 MMc 时 有 η0∝ Mw
MMc 时 有
3 η0∝ Mw.4
2 ) 与温度有关
η = A e
E
RT
T
η
式中,A为与剪切速率,剪切力和分子结构有关的常数; 式中, 为与剪切速率,剪切力和分子结构有关的常数; 为与剪切速率 E为粘性流动活化能.如果 为粘性流动活化能. 越敏感. 为粘性流动活化能 如果E ,则 η 对T越敏感. 越敏感
可由服从虎克定律的线性弹性行为和服从牛顿定律 的线性粘性行为的组合来描述的粘弹性. 的线性粘性行为的组合来描述的粘弹性. 粘弹性 蠕变,应力松弛属于静态粘弹性; 蠕变,应力松弛属于静态粘弹性;滞后现象属于动 态粘弹性. 态粘弹性. 通过对粘弹性的研究:首先为聚合物的加工和应用 提供力学方面的理论依据.其次还可从其中获得分 提供力学方面的理论依据. 子结构和分子运动的信息(平均分子量; 子结构和分子运动的信息(平均分子量;交联和支 结晶和结晶状态;共聚结构;增塑;分子取向; 化;结晶和结晶状态;共聚结构;增塑;分子取向; 填充;与上述因素有关的运动学问题. 填充;与上述因素有关的运动学问题.
高分子材料的力学状态
2.2 高分子材料的力学性能
表征材料力学性能的基本指标
应力-应变 弹性模量 - 拉伸（杨氏）模量
剪切（刚性）模量 硬度 体积（本体）模量
机械强度 - 拉伸（抗张）强度 弯曲强度 冲击强度
2.2 高分子材料的力学性能
应力-应变
应变（形变）：外力作用而不产生惯性移动时其 几何形状和尺寸所发生的变化。
F
F
A0
一点弯曲
三点弯曲
均匀压缩 体积形变 压缩应变
F
F
扭转
2.2 高分子材料的力学性能
应力-应变曲线 Stress-strain curve
标准哑 铃型试
样
实验条件：一定拉伸速率和温度
电子万能材料试验机
2.2 高分子材料的力学性能
图2.3 高分子材料三种典型的应力-应变曲线
2.2 高分子材料的力学性能
自学
力学损耗（内耗）
图2.6 蠕变、应力松弛示意图.
2.2 高分子材料的力学性能
蠕变过程包括 三种形变
1
普弹形变ε1
运动单元：键长、键角 形变特点：形变量小，与时间无关，形变
可完全回复
2+3
2 高弹形变ε2
1
3
运动单元：链段 形变特点：形变量大，与时间有关，可逐
t
渐回复
图2-6 线形非晶态聚合物
低分子是瞬变过程
（10-9 ～ 10-10 秒）
各种运动单元的运动需要 克服内摩擦阻力，不可能
瞬时完成。
高分子是松弛过程
运动单元多重性：
键长、键角、侧基、支链、 链节、链段、分子链
需要时间
（ 10-1 ～ 10+4 秒）
Tg 粘流态
高分子物理----高分子的力学性能
一般刻痕试样的冲击强度小于这一数值为脆性断裂，大
于这一数值时为韧性断裂。但这一指标并不是绝对的，
例如玻璃纤维增强的聚酯塑料，甚至在脆性破坏时也有
很高的冲击强度。
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
2. 高聚物的理论强度 从分子结构的角度来看，高聚物的断裂要破坏分子 内的化学键，分子间的范德华力与氢键。
7.2 高弹态聚合物的力学性质
加入增塑剂虽然可以降低Tg，但有利条件，因此选
用增塑法来降低Tg必须考虑结晶速度增大和结晶形成的 可能性。
7.2 高弹态聚合物的力学性质
（2）共聚法
共聚法也能降低聚合物的Tg，如：PS的主链上带有体 积庞大的苯基，聚丙烯腈有强极性腈基存在，Tg都在室温 以上，只能作为塑料和纤维使用，如果用丁二烯分别与苯 乙烯和丙烯腈共聚可得丁苯橡胶和丁腈橡胶，使Tg下降。 例如：丁苯30，Tg=-53℃，丁腈26，Tg=-42℃。
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
（3）当温度升高到Tg以下几十度范围内，如曲线③，过
了屈服点后，应力先降后升，应变增大很多，直到C点断裂，
C点的应力称为断裂应力，对应的应变称为断裂伸长率ε 。
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
（4）当温度升至Tg以上，试样进入高弹态，在应力不大
时，就可发生高弹形变，如曲线④，无屈服点，而呈现一段
应力称为屈服应力或屈服强度。
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
屈服点之后，应力有所下降，在较小的负荷下即可产生形 变，称为应变软化。之后应力几乎不变的情况下应变有很大 程度的增加，最后应力又随应变迅速增加，直到材料断裂。
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
四、几类高聚物的拉伸行为 1. 玻璃态高聚物的拉伸
高分子材料的表征和导热性能研究
高分子材料的表征和导热性能研究高分子材料是一种重要的材料种类，具有广泛的应用领域。
如何对高分子材料进行表征和研究其导热性能，是当前高分子材料研究的一个热点问题。
一、高分子材料的表征高分子材料通常具有分子量大、化学结构复杂的特点，因此需要采用多种手段进行表征。
1. 分子量的测定高分子材料的分子量一般采用凝胶渗透色谱、粘度法等实验手段进行测定。
其中，凝胶渗透色谱具有分离精度高、灵敏度好等优点，可以处理多种分子量范围的高分子材料。
2. 凝聚态的表征对于固态高分子材料，需要采用X射线衍射、热分析等技术手段进行表征，以了解高分子材料的晶体结构、热性能等特征。
3. 动态热力学性能的表征高分子材料在使用过程中还需要考虑其时间依赖性、疲劳性、耐热性等方面的性能。
这就需要采用热分析、动态力学测试等技术手段进行表征。
二、高分子材料的导热性能研究导热性能是高分子材料的一个关键性能指标，对于高分子材料的设计、制备、应用都具有重要意义。
导热性能研究的主要方法有以下几个：1. 热导率的测试热导率是导热性能的基本指标之一，一般采用稳态热流方法进行测试。
稳态热流方法包括热阻率法、热板法等，能够准确测定材料在稳态下的导热性能。
2. 动态热导率的测试高分子材料在使用过程中很少处于稳态状态，因此需要考虑其动态导热性能。
动态热导率的测试方法包括脉冲法、频率扫描法等，能够模拟高分子材料在实际使用过程中的导热性能。
3. 热膨胀系数的测试高分子材料在受热过程中往往会产生热膨胀现象，对于导热性能的影响较大。
因此，需要采用膨胀测试仪等设备对高分子材料的热膨胀系数进行测定。
4. 界面热阻的测试高分子材料在应用过程中往往需要与其他材料进行接触，因此涉及到界面热阻的问题。
界面热阻的测试方法包括接触热阻法、热反射法等。
三、导热性能的改进高分子材料的导热性能往往不如金属等传统材料，因此需要采取一些措施进行改进。
导热性能的改进方法主要有以下几个：1. 添加导热填料通过向高分子材料中添加导热填料，如石墨、纳米银粉等，可以显著提高高分子材料的导热性能。
高分子材料分析
高分子材料分析高分子材料是一种重要的材料类别，广泛应用于塑料、橡胶、纤维等领域。
高分子材料具有独特的物化性质和结构特点，因此对其进行分析和表征十分重要。
高分子材料的分析方法多种多样，包括热分析、光谱分析、物理性能测试等。
其中，热分析是一种常见且有效的分析方法，常用的热分析方法包括差示扫描量热法（DSC）、热重分析法（TGA）等。
差示扫描量热法是一种通过测量物质在加热或冷却过程中吸热或放热的能量变化来研究其热行为的方法。
通过DSC可以得到材料的熔融温度、玻璃化转变温度、晶型转变等热性质参数，进而评估其热稳定性和热动力学特征。
热重分析法是通过测量材料在加热过程中质量的动态变化来研究其热行为的方法。
通过TGA可以得到材料的热降解温度、热稳定性、热分解特征等信息，进一步了解材料的热稳定性和热降解机理。
除了热分析方法，光谱分析也是一种常用的高分子材料分析方法。
光谱分析包括红外光谱、紫外可见光谱、核磁共振等。
红外光谱可以通过分析材料的吸收峰和波谷来确定材料的功能基团和化学结构，进而判断材料的成分和性质。
紫外可见光谱可以用于研究材料的电子能级和光吸收特性，对于染料等有色材料的分析和表征尤为重要。
核磁共振是一种通过分析材料中氢、碳等原子的核磁共振信号来确定材料分子结构和构象的方法，常用于有机高分子材料的表征。
物理性能测试是对高分子材料进行力学、热学、电学等性能测试的方法。
例如，拉伸试验可以用来测试材料的强度、弹性模量等力学性能参数；热膨胀试验可以用来评估材料的热膨胀性能；电导率测试可以用来研究材料的导电性能等。
通过物理性能测试，可以了解材料的基本物理性质和应用性能。
综上所述，高分子材料的分析方法多种多样，每种方法都有其独特的适用范围和优势。
通过综合应用这些分析方法，可以全面了解材料的组成、结构和性能，为高分子材料的合成设计和应用提供科学依据和技术支持。
高分子材料的物理性质表征方法
高分子材料的物理性质表征方法高分子材料是指由高分子化合物构成的材料，具有独特的性质和广泛的应用领域。
高分子材料在日常生活中随处可见，如塑料、橡胶、纤维等。
了解高分子材料的物理性质对于材料的设计、开发和应用具有重要意义。
本文将介绍高分子材料的常用物理性质表征方法。
一、热性质高分子材料的热性质是指材料在受热时的行为和性能。
常用的热性质表征方法包括热重分析法（TGA）、差热分析法（DSC）和动态热机械分析法（DMA）等。
1. 热重分析法（TGA）热重分析法是一种通过测量材料质量随温度变化的方法来研究材料的热稳定性和热分解行为。
通过TGA可以确定高分子材料的热分解温度、热分解程度以及热稳定性等指标。
2. 差热分析法（DSC）差热分析法是一种通过测量材料在加热或冷却过程中吸热或放热的能力来研究材料的热性质。
通过DSC可以确定高分子材料的熔融温度、结晶行为、玻璃化转变温度等。
3. 动态热机械分析法（DMA）动态热机械分析法是一种通过施加一定的频率和振幅的力或应变，测量材料的机械性能随温度变化的方法。
通过DMA可以确定高分子材料的弹性模量、损耗因子、玻璃化转变温度等。
二、力学性质高分子材料的力学性质是指材料在外力作用下的变形和破坏行为。
常用的力学性质表征方法包括拉伸试验、压缩试验和弯曲试验等。
1. 拉伸试验拉伸试验是一种通过施加拉力来研究材料的抗拉性能。
通过拉伸试验可以确定高分子材料的弹性模量、屈服强度、断裂伸长率等。
2. 压缩试验压缩试验是一种通过施加压力来研究材料的抗压性能。
通过压缩试验可以确定高分子材料的抗压强度、应变硬化指数等。
3. 弯曲试验弯曲试验是一种通过施加弯矩来研究材料的弯曲性能。
通过弯曲试验可以确定高分子材料的弯曲强度、韧性等。
三、电性质高分子材料的电性质是指材料在电场作用下的行为和性能。
常用的电性质表征方法包括电导率测量、电介电常数测量和电阻率测量等。
1. 电导率测量电导率测量是一种通过测量材料在电场中的电流来研究材料的导电性能。
高分子近代测试分析技术
高分子近代测试分析技术摘要高分子材料在现代工业和科学研究中起着重要的作用，因此，对于高分子材料的测试分析技术的发展具有重要意义。
本文将介绍几种近代高分子测试分析技术的原理和应用，包括光谱分析、热分析和力学测试等。
这些技术可以用于高分子材料的成分分析、结构表征、性能测试以及质量控制等方面。
1. 光谱分析技术光谱分析技术是一种常见的高分子材料测试分析技术，包括紫外可见光谱（UV-Vis）、红外光谱（IR）和核磁共振（NMR）等。
这些技术能够提供高分子材料的成分分析和结构表征的信息。
1.1 紫外可见光谱（UV-Vis）紫外可见光谱是一种用于分析高分子材料的吸收光谱的方法。
通过测量样品在紫外或可见光区域的吸光度，可以得到样品的吸收光谱图，进而了解其电子结构和π-π*跃迁等信息。
1.2 红外光谱（IR）红外光谱是一种用于分析高分子材料的振动光谱的方法。
高分子材料中的化学键和分子结构会引起特定的振动，通过测量样品在红外区域的吸光度，可以获得样品的红外光谱图，进而分析其分子结构和官能团等信息。
1.3 核磁共振（NMR）核磁共振是一种用于分析高分子材料的核磁共振光谱的方法。
通过测量样品中核自旋的共振现象，可以得到样品的核磁共振光谱图，从而分析样品的分子结构和官能团等信息。
2. 热分析技术热分析技术是一种用于测试高分子材料热性能的方法，包括热重分析（TGA）和差示扫描量热（DSC）等。
这些技术可以用于研究高分子材料的热降解和热稳定性等。
2.1 热重分析（TGA）热重分析是一种通过测量高分子材料在加热过程中质量的变化来研究其热性能的方法。
通过记录样品质量随温度变化的曲线，可以推断高分子材料的热分解温度和热稳定性等信息。
2.2 差示扫描量热（DSC）差示扫描量热是一种通过测量高分子材料在加热或冷却过程中释放或吸收的热量来研究其热性能的方法。
通过记录样品温度随时间变化的曲线，可以获得高分子材料的熔融温度、玻璃转变温度和热焓等信息。
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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
原子力显微镜AFM
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。