高分子材料的冲击韧性
影响高聚物冲击强度的因素
②支化：分子链支化程度提高，σt下降，但冲击强度σi 提高。如： σi（LDPE）>σi（HDPE） ③交联 适度交联，可提高拉伸强度和冲击强度。如 PE交联 后，σi提高3~4倍，在-40℃时，甚至提高18倍以上。 （交联均匀载荷作用）
④结晶 高聚物结晶度增高和球晶尺寸的增加，冲击强度和断 裂伸长率将下降，甚至表现为脆性。 ⑤取向 聚合物经适当的双轴取向后，冲击强度提高。（分子 分布更均匀，避免了薄弱部位） ⑥增塑剂 增塑剂加入高聚物后，链段运动能力增强，冲击强度 提高，但材料的拉伸强度和模量下降较大。
•强度 ——分子间作用力 ——分子链柔顺性 •延展性 极性基团或氢键 有支链结构 适度交联 结晶度大 韧性
好 好
差
差
双轴取向
加入增塑剂
好 好 好 好
差 差 差 差
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2. 温度和外力作用速度
①温度 冲击试验中，温度对材料的冲击强度影响很大，随 温度升高，冲击强度逐渐增加，到接近 Tg时，冲击 强度迅速增加，如PS室温下脆性大，到Tg附近变成 一种韧性材料。但热固性聚合物的冲击强度受温度 影响较小。 ②外力作用速度 外力作用时间长，冲击强度提高。相当于提高温度。
《高 分 子 物 理 》
课程团队：李彩虹 余旺旺 栗娟 苏珺
影响高聚物冲击强度的因素
材料在受冲击载荷时材料发生破坏（断裂），其韧性 大小取决于材料吸收冲击能量大小和抵抗裂纹扩展的 能力。 1．高分子结构 ①高分子链结构 增加高分子的极性或产生氢键，虽然可提高拉伸强度。 但如果极性基团过密，阻碍链段运动，以致不能实现 强迫高弹性变，则冲击强度下降，材料变为脆性。
聚四氟乙烯内管拉伸强度、断裂伸长率和冲击韧性的“作用和地位”之争(final)
聚四氟乙烯内管拉伸强度、断裂伸长率和冲击韧性的“作用、地位”之争驻胶带股份军代表室廖振魁王宝康孙毅摘要：国军标中，氟内管要求只有抗拉强度和断裂伸长率，无冲击韧性，企业在生产时有意提高抗拉强度；近年氟塑料软管性能不稳定，内厂外场故障高居不下。
就此现状，本文对三项指标的“作用、地位”，进行深入研究和探讨。
关键词：氟内管拉伸强度、断裂伸长率和冲击韧性作用和地位一、问题来由因历史原因和行业特点，企业在考核聚四氟乙烯软管组件内管性能的时候，主要考核其抗拉强度、断裂伸长率、相对密度等，而其中对抗拉强度情有独钟，GJB2837-97《聚四氟乙烯软管组件规范》中也只有抗拉强度大于一指标的要求，误认为抗拉强度越高越好。
生产时有意识地将内管的抗拉强度要求越做越高，最高的达到了48.5MPa（国军标指标:>16MPa），是指标的3倍多；通常内管的断裂伸长做到300%左右（国军标指标:>250%），仅略大于指标。
因GJB2837-97中，指标中没有对冲击韧性提出要求，因此企业从来都不用此指标考核内管性能。
可以看出企业在生产软管组件考核内管性能、质量时，优先考虑抗拉强度，其次考虑断裂伸长率，而对冲击韧性根本不予考虑。
抗拉强度、断裂伸长率、冲击韧性三项力学性能指标（以下简称三项指标），其在软管组件聚四氟乙烯内管起到什么作用、其地位如何？三项性能值的高低对软管的性能有什么影响？近年部队软管爆破故障常发生与抗拉强度偏高是否有一定的关联？如何优化和分配内管的三项指标？就这些问题，本文从理论分析和试验验证着手，进行深入研究和—1 —探讨。
二、作用、地位分析1、聚四氟乙烯软管组件简介软管组件由聚四氟乙烯内管、不锈钢增强钢丝层和金属接头组成。
聚四氟乙烯软管组件用于输送各型飞机的高、中、低液体和气体介质，承受的工作压力从5MPa到35MPa。
聚四氟乙烯软管组件质量、性能的好坏是直接与飞机的使用性能、安全相关的，而氟塑料内管在软管组件中起非常重要的作用。
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
高分子材料定义
高分子材料定义高分子材料是一种由大量重复单元组成的聚合物材料，具有高分子量、高强度、高韧性、耐热性、耐腐蚀性等特点。
它们广泛应用于各个领域，如塑料、橡胶、纤维等。
一、聚合物的基本概念聚合物是由许多相同或不同的单体分子通过化学键连接而成的大分子化合物。
单体是指具有反应活性的小分子化合物，它们可以通过共价键连接形成长链或支链结构。
聚合反应可以通过加热、辐射等方式进行。
二、高分子材料的特点1. 高分子量：由于聚合物是由大量单体组成的，因此其相对分子质量较大，通常在几千到数百万之间。
2. 高强度：高分子材料具有较好的机械性能，如拉伸强度和硬度等。
3. 高韧性：高分子材料具有良好的延展性和抗冲击性能，在受力时不容易断裂。
4. 耐热性：部分高分子材料可以在高温下保持稳定，并且不容易燃烧。
5. 耐腐蚀性：高分子材料对酸、碱等化学物质具有较好的耐受性。
三、高分子材料的分类1. 按来源分类：天然高分子和合成高分子。
天然高分子是指从大自然中提取或分离得到的聚合物，如木材、天然橡胶等；合成高分子是指通过人工手段制备的聚合物，如聚乙烯、聚苯乙烯等。
2. 按结构分类：线性高分子、支化高分子和交联高分子。
线性高分子是由一条链组成的聚合物，支化高分子是在主链上附加了支链结构，交联高分子则是由多条链相互连接而成的网状结构。
3. 按用途分类：塑料、橡胶、纤维等。
塑料是指可塑性较好的聚合物材料，可用于制造各种日用品和工业产品；橡胶则具有良好的弹性和耐磨性能，常用于轮胎、密封件等领域；纤维则具有良好的柔软度和抗拉强度，常用于纺织品和绝缘材料等领域。
四、高分子材料的应用高分子材料广泛应用于各个领域，如建筑、汽车、电子、医疗等。
其中，塑料是最常见的高分子材料之一，它可以制成各种形状和颜色的制品，如塑料袋、塑料桶、塑料玩具等。
橡胶则常用于制造轮胎、密封件等产品。
纤维则可以制成各种服装和家居用品。
五、高分子材料的发展趋势随着科技的不断进步，高分子材料也在不断发展。
塑料的冲击性能和塑料的韧性
塑料的冲击性能和塑料的韧性Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998塑料的冲击性能和塑料的韧性在某些塑料中，冲击强度低是一个很大的弱点,例如PVC、PS、PP等。
尤其是PVC性脆,在光照下降解，加工温度下发生热降解,几乎成为一种无用的材料。
但是,在PVC中加入改性剂，就可变成为可以接受的材料。
通过在PVC中加入大量的增塑剂就可以获得极广泛的用途。
随着科学技术的发展，出现了软质塑料和硬质塑料，当时的塑料要么柔而软，要么硬而脆。
软质塑料使用寿命短，由于增塑剂的挥发和材料在大气中老化降解而变脆成为硬质塑料。
而硬质塑料因为缺乏足够的韧性给塑料工业带来毁灭性的威胁，塑料工业就要开始发展革新性的产品。
开发高分子量和低挥发量、或低抽取性的增塑剂挽救了软质和硬质塑料制品，主要是苯乙烯类的产品开发。
它们因开发在聚合物结构中引入橡胶组分的技术获新生。
塑料添加剂的开发，可改善塑料生产工艺和提高产品性能。
其中增塑剂、稳定剂、冲击改性剂是有利于塑料冲击性能的改善。
以下就材料的韧性和刚性及反映材料韧性的冲击性能的测试作一些叙述。
1.韧性和刚性韧性和刚性是对立的概念。
在力学中有刚度和柔度两个物理量。
“刚度”是指物体发生单位形变时所需要的力的大小;“柔度”则指物体在单位力下所发生的形变大小。
可以看出, “刚度”越大的物体,越不容易发生变形(表现在伸长率很小); “柔度”越大的物体越容易发生变形(表现在伸长率较大)。
一种理想状态，物体的刚度趋近于无穷大(或者物体受力作用其变形小到可以忽略的程度)，我们就称该物体为刚体。
在力学分析时,可以不考虑其自身形变。
因此,刚性是反映物体形变难易程度的一个属性。
韧性的材料比较柔软，它的拉伸断裂伸长率、抗冲击强度较大；硬度、拉伸强度和拉伸弹性模量相对较小。
而刚性材料它的硬度、拉伸强度较大；断裂伸长率和冲击强度就可能低一些；拉伸弹性模量就较大。
塑料的冲击性能和塑料的韧性
塑料的冲击性能和塑料的韧性在某些塑料中，冲击强度低是一个很大的弱点，例如PVC、PS、PP等。
尤其是PVC性脆,在光照下降解，加工温度下发生热降解,几乎成为一种无用的材料。
但是，在PVC中加入改性剂，就可变成为可以接受的材料。
通过在PVC中加入大量的增塑剂就可以获得极广泛的用途。
随着科学技术的发展，出现了软质塑料和硬质塑料，当时的塑料要么柔而软，要么硬而脆。
软质塑料使用寿命短，由于增塑剂的挥发和材料在大气中老化降解而变脆成为硬质塑料。
而硬质塑料因为缺乏足够的韧性给塑料工业带来毁灭性的威胁，塑料工业就要开始发展革新性的产品。
开发高分子量和低挥发量、或低抽取性的增塑剂挽救了软质和硬质塑料制品，主要是苯乙烯类的产品开发。
它们因开发在聚合物结构中引入橡胶组分的技术获新生。
塑料添加剂的开发，可改善塑料生产工艺和提高产品性能。
其中增塑剂、稳定剂、冲击改性剂是有利于塑料冲击性能的改善。
以下就材料的韧性和刚性及反映材料韧性的冲击性能的测试作一些叙述。
1.韧性和刚性韧性和刚性是对立的概念。
在力学中有刚度和柔度两个物理量。
“刚度”是指物体发生单位形变时所需要的力的大小;“柔度”则指物体在单位力下所发生的形变大小。
可以看出,“刚度”越大的物体,越不容易发生变形（表现在伸长率很小）;“柔度”越大的物体越容易发生变形（表现在伸长率较大）。
一种理想状态，物体的刚度趋近于无穷大（或者物体受力作用其变形小到可以忽略的程度），我们就称该物体为刚体。
在力学分析时,可以不考虑其自身形变。
因此,刚性是反映物体形变难易程度的一个属性。
韧性的材料比较柔软，它的拉伸断裂伸长率、抗冲击强度较大；硬度、拉伸强度和拉伸弹性模量相对较小。
而刚性材料它的硬度、拉伸强度较大；断裂伸长率和冲击强度就可能低一些；拉伸弹性模量就较大。
弯曲强度反应材料的刚性大小，弯曲强度大则材料的刚性大，反之则韧性大。
在ASTMD790弯曲性能标准试验方法中说，这些测试方法适合于刚性材料也适合于半刚性材料。
高分子材料参数
高分子材料参数高分子材料参数主要包括以下几个方面：1. 分子量：高分子材料的分子量通常很高，可以达到数万至数百万，甚至更高。
分子量的高低直接影响材料的性能和应用。
2. 聚集态：高分子材料可以以不同的聚集态存在，如晶态、非晶态、取向态等。
这些不同的聚集态可能会对材料的性能产生显著影响。
3. 玻璃化温度：高分子材料的玻璃化温度是指材料从玻璃态转变为高弹态的温度。
玻璃化温度的高低对于材料的应用范围和性能有重要影响。
4. 杨氏模量：杨氏模量是衡量高分子材料刚度的参数，表示材料在弹性范围内抵抗变形的难易程度。
杨氏模量越大，材料越不容易变形。
5. 硬度：硬度是衡量高分子材料表面抵抗被划伤或刻入的能力的参数。
高分子材料的硬度通常用邵氏硬度计测量，硬度越大，材料越不容易被划伤或刻入。
6. 韧性：韧性是衡量高分子材料在受到外力冲击时抵抗断裂的能力的参数。
高分子材料的韧性通常用冲击强度来衡量，表示材料在冲击力作用下不发生断裂的最大冲击能量。
7. 热稳定性：高分子材料的热稳定性是指材料在加工、使用过程中对热的稳定程度。
热稳定性好的材料能够在较高温度下保持其性能和形状的稳定性。
8. 耐腐蚀性：高分子材料对化学物质的抵抗能力称为耐腐蚀性。
有些高分子材料能够在特定的化学环境下保持其性能和稳定性，而有些则容易发生化学反应而导致性能下降或变质。
9. 电性能：高分子材料在电学方面的性能称为电性能。
包括电绝缘性、导电性、介电常数等参数。
这些电性能对于材料的应用范围和性能有重要影响。
10. 光学性能：高分子材料在光学方面的性能称为光学性能。
包括透光性、反射性、折射率等参数。
这些光学性能对于材料的应用范围和性能有重要影响。
高分子材料分析与检测技术：冲击性能
试样 类型
1பைடு நூலகம்
冲击 方向
侧向
贯层
缺口 缺口底部半径 缺口底部剩余
类型 rN/mm
宽度bN/mm
无缺口
单缺口
A
0.25±0.05 8.0±0.2
B
1.00±0.05 8.0±0.2
—
A
0.25±0.05 8.0±0.2
GB/T 1843/B
B
1.00±0.05
a 如果试样是由板材或制品上裁取的，板材或制品的厚度h应该加到命名 中。未增强的试样不应使机加工表面处于拉伸状态进行试验；b 如果 板材厚度h等于宽度b，冲击方向（垂直n平行p）应加到名称中。
图5-18 冲击方向命名图
C
0.10±0.02 8.0±0.2
无缺口
a.如果试样取自片材或成品，其厚度应加载名称中。非增强材料的试样 不应以机加工面作为拉伸而进行试验；b.优选方法；c.适用于表面效应 的研究。
（冲击方向）
图5-14 简支梁试样
图5-15 缺口类型
2.测试步骤及计算结果 （1）测试步骤 试样按GB/T 2918-1998的规定调节16小时以上。 ①测量试样中部的宽度和厚度，精确至0.02mm。 ② 根据试样选择摆锤。 ③ 调节能量度盘指针零点，测定摩擦损失和修正吸收的能量。 ④ 抬起并锁住摆锤，试样放置，对中。 ⑤ 平稳释放摆锤，从度盘上读取试样吸收的冲击能量。 ⑥ 试样完全破坏或部分破坏的可以取值。 ⑦ 观察、报告。不同破坏类型的结果不能进行比较。 ⑧所有计算结果的平均值取两位有效数字，每组试验至少包括10
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注 意：
• 材料的冲击性能常常受到温度、湿度、冲击速度、试样的几何形状以及应力 方式等的影响。因此冲击性能用于工程设计只能作为参考指标，因为冲击性 能只是表征该材料在试验方法规定条件下的冲击韧性，没有绝对的物理意义。
式中，Ua是摆锤在a 和β角段内克服空气阻力消耗的能量；Um是冲击时设 备振动所吸收的能量；Ui是试样冲断后的飞出功，Ui＝0.5mv2
若 Ua、Um和Ui可忽略不计，则Uh＝Uf+ Uh′
已知 Uh＝wl (1-cosa), Uh′ ＝ wl (1-cosβ),
则
Uf＝ wl (cosβ-cosa) （5-3）
• 静拉伸试验下得到断裂韧性与冲击韧性的不同
拉伸断裂实验中，材料拉伸应力-应变曲线下的面积（下 图）相当于试样拉伸断裂所消耗的能量，也表征材料韧性 的大小。很显然，断裂强度高和断裂伸长率大的材料韧性 也好。
但这个能量与抗冲击强 度不同。不同在于，两种实 验的应变速率不同，拉伸实 验速率慢而冲击速率极快； 拉伸曲线求得的能量为断裂 时材料单位体积所吸收的能 量，而冲击实验只关心断裂 区表面吸收的能量。
高速拉伸冲击法
摆锤式冲击是横向冲击试验弯曲破坏，需要考虑切口敏感 性、飞出功和试样厚度的影响，而且弯曲形变时应力在试验中 的分布是不均匀的，难以从理论上分析探讨。由于应力在拉伸 试样中的分布是相对均匀的，拉伸应力－应变曲线下的面积和 材料断裂时消耗的能量成正比，只要拉伸速率足够高，曲线下 的面积和材料的冲击强度近似相等。所以高速冲击试验与摆锤 冲击试验相比是评价材料冲击强度最好的方法。
外力的瞬时冲击作用所引起的变形和应力比静载荷大得多，因此在 设计承受冲击载荷的零件和工具时，不仅要满足强度、塑性、硬度等性 能要求，还必须有足够的韧性。
韧性是指材料在破坏前吸收外加能量的能力。
冲击强度是量度材料在高速冲击下的韧性大小和抗断裂能 力的参数，是标准试样在冲击断裂时单位面积上所消耗的能 量，是一种广义的能量力，不是通常的断裂应力。材料抗冲 击性能与其冲击过程所消耗的能量有关，所消耗的能量越大， 韧性越好。
高速拉伸试验 落锤式冲击试验 摆锤式冲击试验
悬臂梁式（Izod） 简支梁式（Charpy）
最通用的是悬臂梁（Izod）冲击试验和简支梁（Charpy）冲击试验（弯曲冲击）
悬臂梁冲击和简支梁冲击法
简单描述：都是用重锤
冲击条状试样，所用仪 器为摆锤冲击仪，不同 之处是试样的规格和安 装方法，悬臂梁冲击试 验是将试样垂直放置， 一端固定，重锤冲击另 一自由端；简支梁冲击 试验是将试样水平放置 在支架上，试样不需要 夹住，免受夹压振动影 响，然后用重锤冲击。
式中，w为冲击锤重量；l为冲击锤摆长
（5-2）
求出Uf值，再除以试样在冲断处的截面积，即是材料的冲击强度
存在的问题：
摆锤式冲击试验原是用来评价金属材料延展性的，借用来测试高分子材料的冲 击强度，存在不足。主要是冲击试验机的读数盘是按式（5-3）刻度的，从读数 盘上所读出的的冲断试样所消耗的能量，不仅包括使试样产生裂纹和裂纹扩展消 耗的能量以及使试样断裂产生永久变形的能量，而且还包括Ua、Um和Ui ，而这部 分能量与材料的韧性毫无关系，可有时竟占相当大的比例，尤其是飞出功，比如 PMMA标准试样的飞出功有时可达冲断试样消耗能量的50％左右。所以冲击强度 不是材料的基本性能参数，而是特定试验条件下的一个相对的韧性指标。只有在 标准试样相同，又是在相同试样条件下测得的冲击强度数据，才具有工程使用意 义上的可比性，才能用以判断高分子材料的脆－韧转变。
高分子材料抗冲击强度是指标准试样受高速冲击作用断 裂时，单位断面面积（或单位缺口长度）所消耗的能量。 它描述了高分子材料在高速冲击作用下抵抗冲击破坏的能 力和材料的抗冲击韧性，有重要工艺意义。但它不是材料 基本常数，其量值与实验方法和实验条件有关。
冲击强度的单位：J/m2
2. 冲击强度的测定方法
抗冲击强度 的测定方法第5Fra bibliotek 材料的冲击韧性
• 主要内容： 1.冲击强度与韧性的关系 2.冲击强度的测试方法 3.冲击强度的影响因素
1.韧性与冲击强度
冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载速度（幅度和频 率）
静拉伸试验 ε =10-5～10-2 s-1 冲击试验 ε =102～104 s-1 一般情况下 ε =10-4～10-2 s-1，可按静载荷处理。
• 拉伸冲击仪的冲击装置构造如图所示，一定规格的哑铃形试 验夹于装置中，试样的厚度和宽度用测微计量度，以计算横 截面积，由摆锤以速度v猛冲，使模头与砧座撞击，试样断 裂所需的能量来自摆锤的动能，可以从仪器的标度盘读取。
• 在高速拉伸试验中，可以测量出高速拉伸 时的断裂强度与断裂伸长率，这样能够区 分断裂伸长率低而断裂强度大的材料和断 裂伸长率大而断裂强度低的材料。显然， 只有断裂伸长率大而断裂强度又高的材料， 才是韧性较好的材料。
简支梁，横放
简支梁测试时必须将摆锤对准缺口背面的中心位置 悬臂梁测试时摆锤的冲击方向为有缺口的一面
为了增加试验的精确性，大都需要在试样上引入一中 心切口（U型或V型），在外力作用下，切口端部由于应 力集中而首先开裂，然后裂缝扩展至断裂。切口的深度及 其端部的曲率半径对测定结果都有较大影响，应按试验标 准规定执行。
测试基本原理：
把摆锤从垂直位置抬到扬角为a的位置，它便获得了一定的位能（Uh）. 若任其自由落下，则位能转化为动能将试样冲断，冲断试样消耗的能量为
Uf ，冲断试验后，摆锤即以剩余能量升到（升角为β）某一高度，此时的 位能为Uh′. 按照能量守恒关系可写出：
Uh＝Uf+ Uh′+Ua+Um+Ui （5-1）
落重冲击法
为了克服飞出功的影响，可采用落重冲击法测试材料的冲击强度。该 方法的特点是把一个撞锤从已知高度自由落下，测出标准试样刚好形成 裂纹而不把试样完全打断时的能量。由于加速度计固定在撞锤上，可记 录加速度随时间的变化，冲击时撞锤的速度是v0=(2gh0)1/2,原来的位能 U0=mgh0已转变成动能，因此可以计算出撞锤的速度、位移、吸收的能 量和作用力随时间的变化，冲击时间一般为0.5～50ms，冲击完成时由试 样消耗的能量可计算冲击强度。落重冲击法由于装置比较复杂，只适用 于片材和薄膜类材料。