高分子材料的力学状态
高分子材料的力学状态
弹性体：拉伸——放热
回缩——吸热
2.2 高分子材料的力学性能
高弹性的本质
熵弹性 高弹性由熵变引起
拉伸弹性体时外力所做的功 主要转为高分子链构象熵的减小 体系为热力学不稳定状态 去除外力体系回复到初始状态 热力学第一定 律 热力学第二定 律
2.2 高分子材料的力学性能
粘弹性
聚合物最重要的力学性能 之一
晶区起交联点作用。温度，非晶区进入高弹态， 整个材料具有韧性和强度。
结晶度>40%
晶区互相衔接，贯穿成连续相。观察不到明显的
非晶区玻璃化转变现象。
2.1 高分子材料的力学状态
结晶聚合物能否观察到高弹态，取决于聚合物的摩
尔平均质量。
不呈现高弹态
呈现高弹态
图2.2 高结晶度聚合物的热机械曲线
Y N A D B
Breaking point 断裂点
B Y A
plastic deformation 塑性形变
Strain hardening 应变硬化
D A E D A
O
A y
B
图2.4 非晶态聚合物的应力-应变曲线（玻璃态）
2.2 高分子材料的力学性能
2.2 高分子材料的力学性能
2+3
1 2 3
1
图2-6 线形非晶态聚合物 的蠕变及回复曲线
运动单元：分子链 形变特点：不可逆形变
2.2 高分子材料的力学性能
蠕变大小反映了材料尺寸的稳定性和长期负载能力。 提高材料抗蠕变性能的途径:
a. 聚合物玻璃化温度高于室温；
b. 聚合物分子链含有苯环等刚性链； c.交联:可以防止分子间的相对滑移。
高分子物理----高分子的力学性能
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 较长的平台，直到试样断裂前，曲线又出现急剧的上升。
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
2. 结晶态高聚物的拉伸
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
引言
高分子材料具有所有已知材料中可变性范围最宽 的力学性质，包括从液体、软橡胶态到刚性固体。然 而，与金属材料相比，高分子材料对温度和时间的依 赖型要强烈得多，表现为高分子材料的粘弹性。高分 子材料的这种力学行为显得复杂而有趣，为不同的应 用提供了广阔的选择余地。
内容提要
1. 玻璃态和结晶态聚合物的力学性质 2. 高弹态聚合物的力学性质 3. 聚合物的力学松弛－粘弹性
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
比较玻璃态高聚物的拉伸与结晶态高聚物的拉伸相同点与区别
（1） 相同点：两种拉伸过程都经历弹性变形，屈 服（“成颈”），发展大形变，应变硬化。断裂前的大 形变在室温时都不能自发恢复，加热后才能恢复原状态。
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
（2） 不相同点： ① 冷拉温度范围不同 a. 玻璃态高聚物拉伸温度区间是：Tb－Tg b. 结晶态高聚物拉伸温度区间是：Tg－Tm
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
4. 硬度 硬度是衡量材、洛氏、和邵氏等名称，通 常布氏硬度最为常见。
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
三、 屈服现象 1. 应力与应变曲线
图7－9 玻璃态和结晶态高聚物的应力-应变曲线
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
料抵抗外力破坏的能力。机械强度的测试是参照国际 标准和本国标准进行。
高分子材料的形貌和力学性能的关系研究
高分子材料的形貌和力学性能的关系研究高分子材料是一类非常有用的工业材料，它们的应用范围十分广泛，包括但不限于塑料、橡胶、纤维等。
在高分子材料的设计和开发中，形貌和力学性能是两个十分重要的方面。
形貌决定了材料的组成和结构，而力学性能则决定了材料的使用情况和耐久度。
在本文中，我们将探讨高分子材料的形貌和力学性能之间的关系，并分析这种关系对材料工程的影响。
一、高分子材料的形貌高分子材料的形貌指的是其表面形态和内部形态。
表面形态包括材料的粗细、光滑度、颜色等；内部形态则包括材料的晶体结构、分子链结构、孔隙率等。
高分子材料的不同形貌决定了它们的物理性质，这些性质对于高分子材料的特定应用是必须了解的。
例如，聚合物熔体的表面形态和内部形态决定了它们的流动性和凝固性。
又如，高分子材料的玻璃化转变温度（即所谓TG）可以通过形貌的变化来决定，这对于材料的使用和处理有着关键的作用。
此外，高分子材料的形貌还可以影响它们的性能。
例如，一些聚合物材料在不同的形貌下会表现出不同的强度和韧性。
二、高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能通常被分为强度、韧性、硬度和弹性模量等。
这些性能对于高分子材料的特定应用至关重要。
强度和韧性的变化决定了材料的耐久性和安全性；硬度和弹性模量则决定了材料的刚度和弹性回复情况。
很多高分子材料的力学性能是由聚合物分子链的长度和相互作用力决定的。
分子链的长度和相互作用力可以通过其结构和化学组成来控制和调整。
例如，随着分子链的增长和交联的形成，强度和硬度会增加，但韧性会降低。
此外，热处理或机械压缩等工艺也可以影响高分子材料的力学性能。
三、高分子材料的形貌与力学性能之间的关系高分子材料的形貌和力学性能之间存在密切的关系。
对于许多高分子材料来说，形貌可以影响它们的力学性能。
这是由于形貌与材料的结构、分子链长度、相互作用力等紧密相关。
例如，粗糙的表面会影响高分子材料的摩擦力，细微的裂缝和孔隙会影响其强度和韧性。
高分子材料的力学性能
高分子材料的力学性能
01 高聚物的抗拉强度
02 长期强度
高分子材料的力学性能
抗拉强度：
在规定的温度、湿度和加载速度下，在试样上沿轴 向施加拉力直到试样被拉断为止，断裂前试样所承受的 最大载荷与试样截面之比称为抗拉强度。
宽度b
厚度d
P
t
p bd
p A0
抗拉强度越大，说明材料越不易断裂、越结实
高分子材料的力学性能
高分子材料的力学性能
玻璃纤维是将玻璃材料通过拉丝形成的纤维状的玻璃， 没有固定的熔点。是一种综合性能优异的无机非金属材料， 通常作为复合材料增强基材、电绝缘材料、耐热绝热材料、 光导材料、耐蚀材料和过滤材料等，广泛应用于国民经济各 个领域。
玻璃纤维
高分子材料的力学性能
玻璃纤维对高聚物的增强：
短玻璃纤维可以提高热塑性塑料的强度，还可以用玻璃纤维与其 他织物复合而制成玻璃钢。
玻璃钢的性能优越，其强度高于钢，是以玻璃纤维制成玻璃布，
以不同的角度排列，以环氧树脂、酚醛树脂、呋喃树脂的顺序形成涂 层，经加热、层压、固化而成。
材料
拉伸强度/MPa
未增强
23
聚乙烯
右表为一些热塑性
增强
76
塑料用玻璃纤维增
未增强
58
聚苯乙烯
强后其拉伸强度的
增强
96
变化
未增强
62
聚碳酸酯
增强
140
未增强
在高分子材料中长期强度指一定时间后，高分子材料 不发生断裂时的强度值。
长期
t
谢谢！
高分子材料的力学性能
2、应力和缺陷：
缺陷的存在将使材料受力时内部压力分布不平均， 缺陷附近范围内的应力急剧地增加，远远超过压力平均 值，这种现象称为应力集中，缺陷就是应力集中物，包 括裂缝、空隙、缺口、银纹和杂质等，缺陷成为材料的 薄弱环节，材料的破坏就从这些缺陷处开始而扩展到 整个体系，严重降低材料的强度。
高分子材料的力学行为和应力应变关系
高分子材料的力学行为和应力应变关系高分子材料是一类常见的材料，它们由聚合物组成，具有许多独特的力学行为和应力应变关系。
理解和掌握高分子材料的力学行为对于工程设计和材料应用具有重要意义。
高分子材料的力学行为受多种因素的影响，其中最重要的因素之一是分子结构。
分子结构包括聚合物的链结构、支链结构、交联结构等。
不同的分子结构会导致高分子材料具有不同的力学行为。
例如，线性聚合物通常具有良好的延展性和可塑性，而交联聚合物则具有较高的刚度和强度。
高分子材料在受力时会发生应变，这种应变可以分为弹性应变和塑性应变。
弹性应变是在施加外力后，高分子材料会发生弹性变形，当外力撤离后，材料可以恢复到初始状态。
塑性应变是材料受到外力作用而发生的不可逆变形。
高分子材料的弹性和塑性应变与多种因素密切相关，例如材料的分子链长度、分子间的相互作用力等。
材料的力学行为还可以通过应力应变曲线来描述。
应力应变曲线是指在应力作用下，材料发生应变的过程。
通常，应力应变曲线包括线性阶段、屈服阶段、流变阶段和断裂阶段。
线性阶段是指在小应变范围内，材料的应力和应变成正比关系，称为胡克定律。
屈服阶段是指当应力达到一定程度时材料发生应变的过程。
高分子材料的屈服点通常低于其抗拉强度，这是由于分子链的自由度和相互作用力的影响。
流变阶段是指在应力超过屈服点后，材料呈现非线性的应力应变关系。
断裂阶段是指当应力进一步增大，材料无法继续承受应力而发生断裂的过程。
除了力学行为和应力应变关系，高分子材料的力学性能还受到温度、湿度等外界环境的影响。
在高温下，高分子材料的分子链会发生热运动，导致材料的强度和刚度降低。
湿度则会影响分子链之间的相互作用力，进而影响材料的力学性能。
因此，在工程设计和材料应用中，需要仔细考虑外界环境对高分子材料的影响。
总之，高分子材料的力学行为和应力应变关系是一个复杂且重要的领域。
通过研究材料的分子结构、应力应变曲线以及外界环境的影响，可以更好地理解和掌握高分子材料的力学性能，从而为材料应用和工程设计提供科学依据。
高分子材料的结构与力学性能研究
高分子材料的结构与力学性能研究高分子材料是一类重要的工程材料，具有广泛的应用领域。
它们的性能很大程度上取决于其结构与力学性能之间的关系。
因此，对高分子材料的结构与力学性能进行深入研究是十分必要的。
一、高分子材料的结构高分子材料的结构是指其中分子的组成和排列方式。
其主要由聚合物链的排列方式、分子量分布以及分子内外力结构等因素决定。
首先，聚合物链的排列方式对高分子材料的性能有显著影响。
一种常见的排列方式是线性结构，即聚合物链呈直线排列。
这种结构能够使高分子材料更加柔软、可拉伸，并具有较高的延展性。
相反，如果聚合物链呈无规则状或高度交织状排列，则高分子材料的强度和硬度会明显提升。
其次，分子量分布也是高分子结构的重要方面。
分子量分布越广，高分子材料的性能越稳定。
这是因为分子量越大，高分子材料的强度和硬度越高。
然而，如果分子量分布过窄，容易导致性能不均匀，从而影响材料的应用。
最后，分子内外力结构对高分子材料的结构和性能同样起着关键作用。
分子内的键长、键角和二面角等结构参数决定了高分子材料的刚性和柔软性。
而分子之间的力结构包括范德华力、静电力和氢键等，可以影响材料的粘合性和熔融性。
二、高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能包括强度、硬度、韧性以及流变性等方面。
这些性能与材料的结构密切相关。
首先，强度是衡量材料抵抗外力破坏能力的重要指标。
高分子材料的强度主要取决于其内部的结构以及分子内外的各种力作用。
一般来说，高分子材料强度较低，但具有较好的拉伸性能和延展性。
其次，硬度是衡量材料抵抗表面刮擦、磨损和压缩的能力。
高分子材料的硬度主要由分子链的排列方式和分子量分布来决定。
线性排列和较窄的分子量分布会导致高分子材料较好的硬度。
韧性是衡量材料断裂前出现塑性变形的能力。
高分子材料的韧性与其延展性有关，而延展性又与聚合物链的排列方式和分子结构有关。
流变性是指高分子材料在外力作用下的变形行为。
它与材料的粘弹性和塑性变形有关。
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
高分子材料与陶瓷材料介绍
高分子材料与陶瓷材料高分子材料高分子材料来源丰富，生产成本低廉。
在生产以及日常生活中已经成为不可缺少的一类材料。
按照用途可以将高分子材料分为塑料、橡胶、合成纤维、胶粘剂和涂料等。
高分子材料又称为高聚物。
一、高分子材料的基本概念1.高分子化合物是分子量特别大的一类化合物。
一个高分子化合物种可能包含成千上万个原子。
高分子化合物的分子量可以高达几万、几十万甚至上百万。
原子之间以共价键连接起来。
自然界中存在的纤维素、淀粉、蛋白质和天然橡胶都是由高分子化合物组成的。
人工合成的各种塑料、橡胶和纤维也是由高分子化合物组成的。
2.高分子化合物的分子量虽然很大，但其化学成分组成一般都比较简单。
组成高分子的元素主要是碳、氢、氧、氮和硅等少数几种元素。
整个高分子只不过是许多简单的结构单元重复连接起来的长链。
合成高分子所用的小分子原料称为单体，在高分子中称重复结构单元，又叫链节。
高分子中包含的重复结构单元的数目称为聚合度。
聚合度越大，高分子的分子量越大。
高分子材料由大量的大分子链聚集而成。
合成时大分子链长短不一，其数量呈统计规律分布。
高分子材料的分子量是大量分子链分子量的平均值。
以各级分子量取平均值得到的平均分子量叫做重均分子量。
二、高分子材料的人工合成高分子材料可使用小分子单体通过加聚反应或缩聚反应制备得到。
1.加聚反应含有双键的低分子化合物（单体）在光、热或引发剂的引发下使双键打开，由共价键互相连接而形成大分子链的反应。
由一种单体加聚而成的聚合物叫均聚物，如乙烯聚合得到聚乙烯。
如果聚合物链由两种或两种以上的单体聚合而成，则称为共聚物，如ABS树脂是由丙烯腈（Acrylonitrile）、1,3-丁二烯（Butadiene）、苯乙烯（Styrene）三种单体聚合得到的。
加聚反应得到的高分子其分子量等于单体分子量的加和。
2.缩聚反应由两种或两种以上具有官能团（决定分子化学性质的特殊原子团）的低分子化合物（单体），通过官能团的相互缩合作用，逐步合成为一种大分子链，同时析出一个小分子副产物（如水、氨或醇）等的反应。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
材料
外力作
用 发生形变
材料欲保持原
状
产生附加内力
外力卸载
内力使形变回复并自行逐步消除
应力：单位面积上的内力。
高分子材料的力学状态
2.2 高分子材料的力学性能
材料受力方式的基本类型
物质从一种平衡状态
外场作用下 通过分子运动
与外界条件相适 应的另一种平衡状态
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）
高分子材料的力学状态
Strain softening 应变软化 B
B Y
Y
N
D
A A
plastic deformation
Strain hardening
塑性形变
应变硬化
E D A
D A
O A
B
y
图2.4 非晶态聚合物的高分应子材力料的-力应学变状态曲线（玻璃态）
2.2 高分子材料的力学性能
高分子材料的力学状态
2、高分子材料的 性能特点
高分子材料的力学状态
2.1 高分子材料的力学状态
物质的物理状态
相态 凝胶态
热力学概念 动力学概念
凝胶态
力学状态
根据物质对外场（外部作用）特别是外力场 的响应特性划分。
按物质力学性能随温度变化的特性划分。
高分子材料的力学状态
2.1 高分子材料的力学状态
气态 物质的力学三态 液态
晶区起交联点作用。温度，非晶区进入高弹态， 整个材料具有韧性和强度。
结晶度>40% 晶区互相衔接，贯穿成连续相。观察不到明显的 非晶区玻璃化转变现象。
高分子材料的力学状态
2.1 高分子材料的力学状态
结晶聚合物能否观察到高弹态，取决于聚合物的摩 尔平均质量。
不呈现高弹态
呈现高弹态
图2.2 高结晶度聚合物的热机械曲线
2.2 高分子材料的力学性能
序号 类型
1
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
硬而脆 硬而强
3 强而韧
4 软而韧
5 软而弱
曲线
模量
高
高
高
低
低
拉伸强度
中
高
高
中
低
断裂伸长率 小
中
大
很大
中
断裂能
小
中
大
大
小
实例
PS
硬PVC
PMMA 酚醛树脂
增韧EP
PC ABS HDPE
硫化橡胶 未硫化橡胶
软PVC
齐聚物
软~硬：模量 强~高弱分子：材料拉的力学伸状态强度 韧~脆：断裂能
（3）常温下处于玻璃态的聚合高分物子材通料的常力用学状作态 塑料。
高弹态
Tg ～Tf
（1）分子运动机制：链段“解冻”，可以运动 形变量大，100-1000﹪
（2）力学特征： 模量小，105-107Pa 形变可逆，一个松弛过程
（3）常温下处高于分高子材弹料的态力学的状态高聚物用作橡胶材料。
分子运动特点之一：时间依赖性
线形无定形聚合物的力学三态：玻璃态、高弹态、粘流态 玻璃态向高弹态转变的温度：玻璃化转变温（Tg ）；
高弹态和粘流态之间的转变温度： 粘流温度（Tf）
高分子材料的力学状态
2.1 高分子材料的力学状态
Tg
Tf
Td
玻璃态
T<T
g
（1）分子运动机制：键长、键角的改变或支链、侧基的运动。
（2）力学特征：形变量小(0.01 ～ 1%)，模量高(109 ～ 1010 Pa)。 形变与时间无关，呈普弹性。
2.2 高分子材料的力学性能
高弹性
高弹态聚合物最重要的力学
性能
聚合物（在Tg以上）处于高弹态时所表现出的独特
的力学性质，又称橡胶弹性。
高弹性的特点：
弹性模量小；
橡胶: 0.2-8 MPa 钢：20000 MPa；HDPE: 200 MPa；PS:2500 MPa
形变量很大；
形变量一般～500%，可达1000%。普通金属材料的形
固态
温度增加
聚合物力学状态具有特殊性。原因：
没有气态； 具有非晶态； 结晶具有不完善性。
高分子材料的力学状态
2.1 高分子材料的力学状态
线型无定形聚合物的力学三态及其转变
热机械曲线（形变-温度曲线）实验示意 等速升温
高分子材料的力学状态
2.1 高分子材料的力学状态
图2.1 线型无定形高聚物热机械曲线
F
A0
l0
A A0
l F
F Dl
F
简单拉伸示意图
简单剪切示意图
产生的形变-拉伸形变/相对伸长率
剪切应力、剪切应变
高分子材料的力学状态
2.2 高分子材料的力学性能
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
高分子材料的力学状态
2.2 高分子材料的力学性能
应力-应变曲线 Stress-strain curve
高分子材料的力学状态
2.1 高分子材料的力学状态
问题：交联、网状聚合物是否有粘流态？
Cross-linked 交联
Network（3D） 网状
答案：不出现粘流态。
高分子材料的力学状态
2.1 高分子材料的力学状态
玻璃化转变现象及Tg的重要性
自由体积理玻论璃化转变是高聚物的一种普遍现象。
发生玻璃化转变时，许多物理性能发生急剧变化，可完全 改变材料的使用性能： T>Tg 时高聚物处于高弹态（弹性体） T<Tg 时高聚物处于玻璃态（塑料、纤维）
标准哑 铃型试
样
实验条件：一定拉伸速率和温度
高分子材料的力学状态
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
高分子材料的力学状态
2.2 高分子材料的力学性能
Point of elastic limit 弹性极限点
Yielding point 屈服点
Breaking point 断裂点
Tg是决定材料使用范围的重要参数： Tg 是橡胶的最低使用温度 Tg 是塑料的最高使用温度
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
Tg 粘流态
Tf
Td
Tf ～ Td
分解温 度
（1）分子运动机制：整链分子产生相对位移
（2）力学特征：形变量很大（流动） 形变不可逆
模量极小
（3）高T分f与子材摩料的尔力学平状态均质量有关
2.1 高分子材料的力学状态
结晶聚合物的力学三态及其转变
结晶聚合物的非晶区具有非晶态聚合物的力学三态 轻度结晶聚合物