复合材料力学性能
复合材料的力学性能与结构设计
复合材料的力学性能与结构设计复合材料是由两种或两种以上的材料组合而成的材料，具有优异的力学性能和结构设计潜力。
在本文中，将探讨复合材料的力学性能以及如何进行结构设计。
一、复合材料的力学性能复合材料由于多种材料的组合，具有独特的力学性能。
以下将讨论复合材料在强度、刚度和韧性方面的性能。
1. 强度由于不同材料之间的协同作用，复合材料通常具有很高的强度。
这是由于各个组成材料的优点相互弥补，从而提高整体强度。
例如，纤维增强复合材料中的纤维可以提供很高的强度，而基体材料可以增加韧性。
2. 刚度复合材料具有很高的刚度，这是由于组成材料之间的相互作用。
纤维增强复合材料中的纤维可以提供很高的刚度，而基体材料可以提供弹性和柔韧性。
因此，复合材料在受力时可以保持其形状和结构的稳定性。
3. 韧性复合材料通常具有较高的韧性，这是由于材料的组合结构所致。
纤维增强复合材料中的纤维可以分散和吸收能量，从而提高材料的韧性。
相反，在单一材料中，这种能量分散效应很少出现。
二、复合材料的结构设计复合材料的结构设计是为了实现所需的力学性能和功能。
以下将介绍复合材料结构设计的关键因素。
1. 材料选择合理的材料选择是进行复合材料结构设计的关键因素。
不同材料具有不同的力学性能和化学特性，因此需要根据应用需求选择合适的材料组合。
例如，在需要高强度和刚度的应用中，可以选择纤维增强复合材料。
2. 界面控制复合材料中不同材料之间的界面是其力学性能的重要因素。
界面的控制可以通过界面处理和表面改性来实现。
例如，通过添加粘合剂或增加表面处理剂，可以增强纤维与基体之间的结合，提高界面的力学性能。
3. 结构设计结构设计是为了实现所需的功能和性能。
在复合材料结构设计中，需要考虑材料的排布方式、层压顺序和几何形状等因素。
通过合理设计复合材料的结构，可以充分发挥其力学性能，同时满足应用需求。
三、结论复合材料具有优异的力学性能和结构设计潜力。
通过合理选择材料、控制界面以及进行结构设计，可以充分发挥复合材料的力学性能。
复合材料力学性能
复合材料力学性能复合材料力学性能是指复合材料在力学加载下的行为和性能。
复合材料是由两种或两种以上不同类型的材料组成的复合体，通常包括增强相和基体相。
增强相是由具有较高强度和刚度的材料制成，而基体相是由具有较高韧性和耐用性的材料制成。
复合材料的力学性能直接影响着其在各种应用领域的使用。
复合材料的力学性能包括强度、刚度、韧性和抗疲劳性等方面。
首先是强度。
强度是指材料在受到外界力作用下抵抗断裂或变形的能力。
复合材料通常具有较高的强度，特别是拉伸、压缩和弯曲强度。
这是因为增强相的存在使得复合材料能够承受更大的力。
同时，复合材料还具有较高的拉伸、剪切和压缩模量，这使得它们在应力下更加稳定。
其次是刚度。
刚度是指材料对应力产生相应应变的能力。
复合材料通常具有较高的刚度，这使得它们在应用中具有更好的稳定性和振动性能。
刚度取决于增强相的类型、层数和配比等因素。
然后是韧性。
韧性是指材料在受到外界力作用下承受变形和断裂的能力。
复合材料通常具有较高的韧性，这是由于其基体相的存在，基体相能够吸收能量并阻止裂纹的扩展。
韧性通常通过测量断裂韧性来评估。
最后是抗疲劳性。
抗疲劳性是指材料在经过长时间循环加载后仍然能保持其性能和强度的能力。
复合材料通常具有较好的抗疲劳性能，这是由于增强相的存在，增强相能够在应力加载下分散和吸收应力。
除了以上几个方面，复合材料的力学性能还受到其制备工艺、层数和组织结构等因素的影响。
制备工艺的不同会导致复合材料的性能有所差异。
层数的增加会提高复合材料的强度和刚度，但也会增加制备难度。
组织结构的优化能够提高复合材料的性能。
综上所述，复合材料具有强度、刚度、韧性和抗疲劳性等优良的力学性能。
这些性能的提高在很大程度上推动了复合材料在航空、汽车、建筑等领域的广泛应用。
随着材料科学和制备技术的进步，复合材料的力学性能还将不断得到改善和优化。
复合材料的力学性能
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3
三、复合材料的性能特点
1、高比强度、比弹性模量； 2、各向异性； 3、抗疲劳性能好； 4、减振性能好； 5、可设计性强。
4
四、结构设计原理
1、层次结构 一次结构（单层），不产生新相； 二次结构（铺层）有新相产生；能较好地过 渡； 三次结构（多层）形成多个铺层。 2、连续纤维与非连续纤维增强 连续纤维增强 方向性明显，性能受纤维的 粗细、数量、排列的影响。 非连续纤维增强 纤维的长度与直径之比 L/d，提高剪切强度。 返回
1 Vf Vm I: 1 Gc G f Gm (式11 - 20) 上限 下限
II II： GC G f Vf G m Vm (式11 - 26) II 合 成：G c (1 c )G 1 CG c C (式11 - 27)
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4、泊松比υ
纵向泊松比
LT
横向泊松比
2
二、材料复合的物理冶金基础
1、界面与界面反应
界面上反应热力学与动力学： 相应温度下反应的可能性；反应常数；反应速度常数。 固溶与化合反应： 原子扩散，形成浓度不同的固溶体；新化合物。 过渡层的出现：
2、强化理论
第二相强化、弥散强化；形变带强化。 断裂及其机理： 裂纹的萌生及扩展；断裂。 聚合强度的作用。
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二、弹性模量
弹性模量计算公式(式11-61）（式11-62）（式11-63）
三、强度
按混合定律计算。 用纤维的平均应力代替（11-39）中的纤维抗拉强度。 返回
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§11.4 复合材料的断裂、冲击和疲劳
一、断裂
1、损伤累积机理 裂纹萌生：缺陷处 扩展： 2、非累积损伤机理 ①接力破坏 ②脆性粘接断裂机理 ③最薄弱环节破坏机理 3、复合材料的破坏形式 ①纤维断裂 ②基体变形和开裂 ③纤维脱胶 ④纤维拨出
复合材料力学性能的研究
复合材料力学性能的研究复合材料是由两种或以上的材料组成的复合体，具有优异的力学强度和轻质化优势，广泛应用于汽车、航空、航天等领域。
然而，复合材料的力学性能研究一直以来都是一个热门的研究方向。
一、复合材料的组成复合材料的组成较复杂，第一种材料通常称为基质，第二种材料称为增强材料（纤维或颗粒），第三种称为填料。
其中最常见的基质材料为树脂，增强材料有碳纤维、玻璃纤维等。
填料主要用来填充空隙，在预制过程中保持形状。
二、复合材料的力学性能复合材料具有优异的力学性能，包括强度、硬度、韧性、蠕变等方面。
通常，强度是复合材料最突出的优点，这是由于增强材料的高强度和基质材料的高韧性共同作用的结果。
但是，复合材料由于材料变化的复杂性，其确切的力学性能参数往往难以量化，这增加了其性能评估的难度。
三、复合材料力学性能的研究方法针对复合材料的力学性能研究，主要有以下几种方法。
1.试验方法试验是研究复合材料力学性能的最主要方法之一，包括拉伸试验、弯曲试验、疲劳试验、冲击试验等。
通过试验，可以得出复合材料的强度和韧性等力学性能参数，并获得材料断口形态、疲劳裂纹扩展行为等信息。
2.数值模拟方法数值模拟方法可以通过有限元分析等手段，模拟复合材料受力及响应过程。
数值模拟方法可以提供与试验相同的结果，但是具有更高的计算精度和更广的适用范围。
3.微观力学建模方法微观力学建模方法利用分子力学理论和计算力学等技术探究复合材料的微观结构与力学性能的关系。
微观力学建模方法可以研究单个增强纤维或颗粒的力学性能，并且强调了复合材料性能与其微观结构的密切关系。
四、复合材料力学性能的应用由于复合材料具有优异的力学性能，因此在汽车、航空航天、医疗器械、体育用品等领域广泛应用。
例如，在航空航天领域，即将使用的“星际飞船”使用了大量的碳纤维增强复合材料，以减轻飞船重量，提高载荷和性能。
此外，复合材料的轻质化特点也为能源、环境等领域的应用提供了更广阔的展望。
第8章复合材料力学性能
➢强度高，拉伸强度为3.62GPa； ➢模量高于GF，为125GPa； ➢韧性好，断裂伸长率为2.5%； ➢缺点：表面惰性大，与树脂界面粘结性能差，抗压、抗
扭曲性能差。
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基体材料
① 基体材料选择三原则：
第一，基体材料本身力学性能较好，如有较高的内聚强 度、弹性模量；与增强纤维有相适应的断裂伸长率； 第二，对增强材料有较好的润湿能力和粘结力，保证良 好的界面粘结； 第三，工艺性优良，成型和固化方法与条件简单，固化 收缩率低。
Ⅱ型CF（高强型）： 强度＞3GPa； 模量为230~270GPa； 断裂伸长率为0.5~1%
联碳化合物公司P-140 型CF： 模量高达966GPa
东丽公司T1000型CF： 强度达到7.05GPa； 模量为295GPa；
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③ 芳纶的力学特性
➢以Kevlar-49为代表的芳纶是一种高模量有机纤维； ➢密度小（1.44g/cm3，GF为2.54g/cm3，T300为
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8.2.1 纵向拉伸性能 （1）纵向拉伸应力σL 、拉伸模量EL
单向纤维复合材料纵向拉伸加载示意图和单向板纵向拉伸 简化力学模型图如下： PL = Pf + Pm
Pf 、 Pm分别为纤维（fibre）和基体（matrix）承受的载荷
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当用应力表示
PL = Pf + Pm
σL AL = σf Af + σm Am
单向（纤维增强）复合材料 双向（正交纤维）复合材料 多向（纤维增强）复合材料 三向（正交纤维增强）复合材料 短纤维增强复合材料
4
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（1）单向（纤维增强）复合材料
第十四章复合材料力学性能_材料的宏微观力学性能
第十四章复合材料力学性能_材料的宏微观力学性能复合材料是由两种或多种不同的材料组成，具有独特的力学性能。
因为复合材料由不同材料组成，其宏微观力学性能由材料的组成、结构、形态以及其在应变、应力和温度条件下的变化所决定。
首先，复合材料的宏观性能包括强度、刚度、韧性和耐久性等。
强度是指材料抵抗外部力量破坏的能力，可以分为拉伸强度、压缩强度、剪切强度等。
刚度是指材料对应力的响应程度，可以通过弹性模量来表征。
韧性是指材料在断裂之前能够吸收的能量，可以通过断裂韧性来衡量。
耐久性是指材料在环境条件下长期使用所能保持的性能。
其次，复合材料的微观力学性能包括单根纤维或颗粒的力学性能，以及阵列结构和界面性能。
单根纤维或颗粒材料的力学性能取决于材料的成分、晶体结构、缺陷和纤维的方向。
纤维的方向对复合材料的拉伸、弯曲和剪切等性能有显著影响。
阵列结构是指纤维或颗粒的形态和分布，如纤维间距离、层厚度、纤维排布等。
界面性能是指纤维或颗粒与基体的界面结构以及其相互作用，影响着复合材料整体的性能。
另外，复合材料的力学性能还受到应变、应力和温度的影响。
应变是指物体受力后发生的形变程度，应力是物体单位面积上的力。
复合材料的应变和应力分布不均匀，因为不同材料的应变和应力响应不同，这会导致复合材料整体力学性能的非线性变化。
温度变化也会导致复合材料的线膨胀系数不同，从而对力学性能产生影响。
总体来说，对复合材料力学性能的研究需要考虑宏微观的因素，包括材料成分、结构、形态以及在应变、应力和温度条件下的变化。
这些因素的相互作用决定了复合材料的力学性能。
了解复合材料的力学性能对于材料设计和应用具有重要意义。
复合材料的力学性能分析
复合材料的力学性能分析复合材料是由两种或以上的不同材料在力学上结合形成的材料，具有高强度、高模量、低密度、耐腐蚀等优良特性，被广泛应用于汽车、航空、航天、体育用品等领域。
然而，复合材料的力学性能与其组成材料、制备工艺、结构形式密切相关，需要经过细致的分析才能充分发挥其优势。
一、组成材料的力学性能分析复合材料由纤维和基体材料结合形成，其中纤维通常是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，基体材料通常是树脂、金属等。
因此，复合材料的力学性能与其组成材料密切相关。
1.纤维材料的力学性能纤维材料具有很高的强度和刚度，可以充分发挥复合材料的优势。
常用的纤维材料有碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等。
其中，碳纤维的强度和刚度最高，但价格也最昂贵，适用于高端领域；玻璃纤维强度和刚度较低，价格相对便宜，适用于一般领域；芳纶纤维具有较高的温度和化学稳定性，适用于高温环境。
2.基体材料的力学性能基体材料主要起粘结纤维材料的作用，因此需要具有较好的强度和可塑性。
常用的基体材料有环氧树脂、酚醛树脂、聚丙烯等。
环氧树脂具有较好的成型性和高强度，适用于高端领域；酚醛树脂价格相对便宜，但强度和成型性较差，适用于一般领域；聚丙烯具有良好的化学稳定性和低密度，适用于航空、航天等领域。
二、制备工艺对力学性能的影响分析复合材料制备工艺是影响其力学性能的重要因素之一。
常用的制备工艺有手工层叠法、自动层叠机法、注塑成型法等。
1.手工层叠法手工层叠法是复合材料制备的最早方法之一，其优点是成本低，适用于小批量生产；缺点是生产效率低，工艺难以控制，制品质量不稳定，易产生接触、空气泡等缺陷。
2.自动层叠机法自动层叠机法是指利用专用机器进行自动化生产的方法，其优点是生产效率高，无人工干预，制品质量稳定；缺点是设备成本高，不适用于小批量生产，工艺仍需改进和控制。
3.注塑成型法注塑成型法是将熔融状态的树脂注入到预制的模具中，并在高温高压下形成制品的方法，其优点是最大程度地消除了接触缺陷、空气泡等缺陷，制品密实，精度高，产品性能稳定；缺点是成本高，需要专用模具，适用于大批量生产。
复合材料的力学性能测试与分析
复合材料的力学性能测试与分析引言：复合材料是由两个或多个成分组合而成的材料，通常包括纤维增强材料和基体材料。
由于其独特的结构和组分，复合材料具有优良的力学性能和广泛的应用领域。
在设计和制造复合材料制品时，力学性能的测试与分析非常重要，可以评估材料的强度、刚度和韧性等关键指标，指导工程应用中的设计和生产。
本文将深入探讨复合材料的力学性能测试方法和分析技术。
力学性能测试方法：1. 张力测试：张力测试用于测量材料在施加纵向拉力时的承载能力。
一种常用的方法是单轴拉伸测试，其中样品被拉伸直至断裂，通过测量施加的力与应变之间的关系，获得材料的应力-应变曲线。
这个曲线可以提供材料的强度和刚度等信息。
2. 压力测试：压力测试旨在测量材料的抗压能力。
常见的方法是将样品置于压力机之间，逐渐施加压力直至样品破裂。
通过测量施加的压力与应变之间的关系，可以评估材料的抗压强度和变形能力。
3. 剪切测试：剪切测试用于测量材料在剪切加载下的表现。
通常使用剪切试验机在两个表面之间施加剪切力，测量材料的剪切应力与应变关系。
这个关系提供材料的剪切强度和剪切刚度等参数。
力学性能分析技术：1. 杨氏模量：杨氏模量是描述材料刚度的指标，表示材料在受力时的应变响应。
通过施加小应力并测量产生的应变，可以计算出材料的杨氏模量。
杨氏模量越大，材料的刚度越高。
2. 弯曲强度：弯曲强度是评估复合材料抵抗在横向加载下发生弯曲的能力。
通过施加弯矩并测量产生的应力，可以计算出材料的弯曲强度。
弯曲强度高的材料在横向应力下更为耐用。
3. 破坏韧性：破坏韧性是评估复合材料耐受冲击或断裂的能力。
常用的测试方法是冲击测试，通过施加冲击力并测量导致的破损面积，可以评估材料的破坏韧性。
高韧性材料能够吸收能量并减缓破坏过程。
实例分析：以碳纤维增强复合材料为例，进行实例分析。
碳纤维增强复合材料由碳纤维作为纤维增强材料，环氧树脂作为基体材料组成。
首先进行张力测试，测量样品在单轴拉伸下的强度和应变。
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机械强度 - 拉伸（抗张）强度 弯曲强度 冲击强度
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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。
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2.2 高分子材料的力学性能
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2.2 高分子材料的力学性能
序号 类型
1
2
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~弱：精选拉ppt 伸强度 韧~脆：断裂22能
2.3 几个重要的力学参数
拉伸强度 拉伸模量 断裂伸长率 屈服强度
F/ A
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1. 拉伸强度与模量
（1）脆性断裂：在断裂前不产生塑性变形，只发生弹性形变
符合虎克定律
σ
σ E=
ε
也称为杨氏模量 （young modulus）
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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）Tf与精摩选p尔pt 平均质量有关
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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
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。
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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
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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
线形无定形聚合物的力学三态：玻璃态、高弹态、粘流态
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。
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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
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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。
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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：
Yielding point 屈服点
Breaking point 断裂点
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 非晶态聚合物的应精力选p-p应t 变曲线（玻璃态）
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
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电子万能材料试验机
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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
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2.2 高分子材料的力学性能
Point of elastic limit 弹性极限点
分子运动特点之一：时间依赖性
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）
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）
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
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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
2. 复合材料的 力学性能
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1
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。
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2
2.1 高分子材料的力学状态
气态 物质的力学三态 液态
固态
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2.2 高分子材料的力学性能
材料受力方式的基本类型
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
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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
扭转
F
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形变与时间无关，呈普弹性。
（3）常温下处于玻璃态的聚合物精通选p常pt 用作塑料。
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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）常温下处于高精弹选p态pt 的高聚物用作橡胶材料。 7
两个力学参数：弹性精选模ppt量与脆性断裂强度
ε
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（2）塑性变形
弹性模量E 单纯弹性变形过程中应力与应变的比值
E=σ/ε
精选ppt
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（2）塑性变形
屈服强度σs 对于拉伸曲线上有明显的屈服平台的材料，塑性变
形硬化不连续，屈服平台所对应的应力即为屈服强度， 记为σs
玻璃态向高弹态转变的温度：玻璃转变温度（Tg ）；
高弹态和粘流态之间的转变温度： 粘流温度（Tf）
精选ppt
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2.1 高分子材料的力学状态TgTfTd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)。