请从分子运动机理角度说明无定形聚合物的三种力学状态。
无定型聚合物
2 Amorphous Polymers无定型聚合物2.1 Introduction2.1.1 Concept of aggregate state(聚集态结构的内涵)Aggregate state不同聚合物链间的堆积和排列。
Aggregate state includes非晶态Amorphous state晶态Crystalline state液晶态Liquid crystalline state取向态Orientation state高分子的结构Structure of Polymers链结构Chain Structure聚集态结构Aggregate Structure织态结构Texture Structure无定型态结构Amorphous Structure 结晶态结构CrystallineStructure取向态结构OrientationStructure液晶态结构Liquid CrystalStructure2.1.2 Interactions between polymer molecules(高分子的分子间作用力)高分子由于分子间的相互作用而堆砌在一起covalent bond (共价键) interactionnon-covalent bond (非共价键)van der Walls force (范德华力)H-bond (氢键)C －C 单键的键能: E J = 347 kJ/mol因此聚合物不存在气态！意味着将一条PE 链从本体中拉出成为气态，至少需要2*104kJ/mol 的能量用以克服分子间作用力，这将导致主链上单键的断裂。
范德华作用力强度:2～8kJ/molPE 中分子间作用力的估算假设:PE 的聚合度DP=104，总的分子间作用力:E f >2*104kJ/molE f >E JHydrogen bond 氢键极性很强的X H 中的H原子同另外一个电负性较大的Y原子上的孤对电子之间的相互作用(X, Y可以相同)。
聚合物的状态
聚合物的状态聚合物是由许多相同或不同的分子单元通过共价键结合而形成的大分子化合物。
它们在我们日常生活中无处不在，从塑料制品到生物大分子都是由聚合物构成的。
聚合物的状态是指它们在不同条件下所呈现的物理状态和性质，这些状态对于我们理解其结构和应用具有重要意义。
首先，聚合物的状态可以分为三种基本形式：固态、液态和气态。
在固态状态下，聚合物通常呈现出有序排列的结构，分子间紧密堆积，形成结晶态或非晶态结构。
这种有序的结构使得固态聚合物通常具有较高的强度和硬度，适用于制备机械零件、包装材料等领域。
另一方面，在液态状态下，聚合物分子间有较弱的吸引力，呈现出流动性。
这使得液态聚合物具有良好的可塑性和流动性，易于加工成各种形状，常见于涂料、胶水、油墨等产品中。
而气态状态下，聚合物呈现出高度的自由度和运动性，通常用于气体分离、薄膜制备等特殊领域。
其次，聚合物的状态还与温度、压力和溶剂等因素密切相关。
随着温度的升高，聚合物分子的热运动增强，分子间的相互作用减弱，固态聚合物可能转变为液态或气态状态。
这种转变过程称为熔融或升华。
在高温下，聚合物会失去原有的结晶性或非晶性结构，形成流动性更强的状态，因此温度是影响聚合物状态的重要因素之一。
另外，压力的变化也会对聚合物状态产生影响。
高压可以促进聚合物的压缩，改变其结构和性质，例如增加硬度或改善机械性能。
而溶剂的选择和添加可改变聚合物的溶解度和溶液性质，影响其状态转变和应用领域。
最后，聚合物的状态还取决于其分子结构、分子量和化学成分等因素。
不同的聚合物具有不同的分子构型和宏观性质，进而呈现出不同的状态和应用特性。
例如，线性聚合物通常具有较高的强度和刚度，适用于纤维、塑料等领域；而交联聚合物在分子链之间具有交联点，具有较好的弹性和耐磨性，适用于橡胶制品、密封材料等领域。
此外，聚合物的结晶度、分子量分布以及共聚物结构等特征也会直接影响其状态和性能。
综上所述，聚合物的状态是由其分子结构、温度、压力和溶剂等因素共同决定的。
线性无定型聚合物常存在的三种物理状态
线性无定型聚合物常存在的三种物理状态线型无定型聚合物在受热时常存在的三种物理状态为:玻璃态(结晶聚合物亦称结晶态)、高弹态、粘流态
聚集态结构是指高聚物分子链之间的几何排列和堆砌结构，包括晶态结构、非晶态结构、取向态结构以及织态结构。
结构规整或链次价力较强的聚合物容易结晶，例如，高密度聚乙烯、全同聚丙烯和聚酰胺等。
结晶聚合物中往往存在一定的无定型区，即使是结晶度很高的聚合物也存在晶体缺陷，熔融温度是结晶聚合物使用的上限温度。
结构不规整或链间次价力较弱的聚合物（如聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等）难以结晶，一般为不定型态。
无定型聚合物在一定负荷和受力速度下，于不同温度可呈现玻璃态、高弹态和黏流态三种力学状态（见下图）。
玻璃态到高弹态的转变温度称玻璃化温度（Tg），是无定型塑料使用的上限，橡胶使用的是下限温度。
从高弹态到黏流态的转变温度称黏流温度（Tf），是聚合物加工成型的重要参数。
当聚合处于玻璃态时，整个大分子链和链段的运动均被冻结，宏观性质为硬、脆、形变小，只呈现一般硬性固体的普弹形变。
聚合物处于高弹态时，链段运动高度活跃，表现出高形变能力的高弹性。
当线型聚合物在黏流温度以上时，聚合物变为熔融、黏滞的液体，受力可以流动，并兼有弹性和黏流行为，称黏弹性。
聚合熔体和浓溶液搅拌时的爬杆现象，挤出物出口模时的膨胀现象以及减阻效应等，都是黏弹行为的具体表现。
其他如聚合物的蠕变、应力松弛和交变应力作用下的发热、内耗等均属黏弹行为。
华东理工大学高分子科学课后答案高分子物理部分第二章
第二章（P255）1．简述聚合物的分子运动特点。
答：聚合物的分子运动的特点是：运动单元的多重性：聚合物的运动单元可以是侧基、支链、链节、链段和整个分子等。
高分子热运动是一个松弛过程：在一定的外界条件下，聚合物从一种平衡状态通过热运动达到与外界条件相适应的新的平衡态，这个过程不是瞬间完成的，需要一定的时间。
高分子热运动与温度有关：随着温度的升高，高分子热运动的松弛时间缩短。
2．试用自由体积理论解释聚合物的玻璃化转变。
答：根据自由体积理论，液体或固体物质的体积是由两部分组成的：一部分是被分子占据的体积，称为已占体积，另一部分是未被占据的以“孔穴”形式分散于整个物质之中的自由体积。
正是由于自由体积的存在，分子链才可能通过转动和位移而调整构象。
自由体积理论认为，当高聚物冷却时，起先自由体积逐渐减少，到某一温度时，自由体积将达到最低值，这时高聚物进入玻璃态。
在玻璃态下，由于链段运动被冻结，自由体积也被冻结，并保持一恒定值。
因此，对任何高聚物，玻璃化温度就是自由体积达到某一临界值时的温度，高聚物的玻璃态可视为等自由体积状态。
3．何谓玻璃化转变温度？简述一种测量聚合物玻璃化温度的方法。
答：聚合物玻璃态与高弹态之间的转变称为玻璃化转变，对应的转变温度为玻璃化转变温度。
玻璃化转变温度可以用膨胀计法测定，即直接测量高聚物的体积或比容随温度的变化。
从体积或比容对温度曲线两端的直线部分外推，其交点对应的温度作为T；g T也可以用差热分析测量，其基本原理是在等速升温的条件下，连续测定被测试g样与惰性基准物之间的温度差△T，并以△T对试样T作图，即得差热曲线，曲线上出现一台阶，台阶处所对应的温度即为T。
g4．试从分子运动的观点说明非晶聚合物的三种力学状态和两种转变。
答：在玻璃态下（T<Tg ），由于温度较低，分子运动的能量很低，不足以克服主链内旋转的位垒，因此不足以激发起链段的运动，链段处于被冻结的状态，只有那些较小的运动单元，如侧基、支链和小链节能运动。
聚合物材料力学行为和失效机理分析
聚合物材料力学行为和失效机理分析概述：聚合物材料是一类由重复单元组成的高分子化合物，具有轻质、高强度、耐化学品腐蚀等特点，广泛应用于各个领域。
在使用过程中，聚合物材料会受到外力的作用，其力学行为和失效机理的分析对于提高材料的性能和使用寿命至关重要。
本文将对聚合物材料的力学行为和失效机理进行分析，并探讨其在实际应用中的影响和优化措施。
一、聚合物材料的力学行为：聚合物材料的力学行为主要包括强度、刚度、塑性变形和疲劳行为。
1. 强度：聚合物材料的强度是指材料能够承受的最大外力或应力。
其中，拉伸强度是最常用的强度指标，表示材料在拉伸过程中的最大抗拉应力。
同时，还可以考虑材料的屈服强度、压缩强度等。
2. 刚度：刚度是指材料对外力的抵抗能力。
在聚合物材料的刚度分析中，弹性模量是一个重要指标，它反映了材料在应力加载下的变形程度。
聚合物材料普遍具有较低的弹性模量，表现为较高的变形能力。
3. 塑性变形：塑性变形是指材料在加载过程中能够发生可逆性变形的能力。
相比于金属材料，聚合物材料的塑性变形能力较弱，容易出现塑性失效，如破裂、开裂等。
4. 疲劳行为：疲劳行为是指材料在长时间重复加载下的变形和失效。
聚合物材料具有低强度、高韧性和易疲劳的特点，疲劳损伤往往是由于长期受到周期性加载而引起的，如振动、循环载荷等。
二、聚合物材料的失效机理：聚合物材料的失效机理主要包括应力集中、开裂和老化。
1. 应力集中：聚合物材料在受到外力作用时，容易产生应力集中现象，导致材料局部应力和变形增大。
应力集中会引起裂纹的扩展，最终导致材料的失效。
2. 开裂：聚合物材料的开裂行为是由于材料内部的缺陷或外部的应力超过材料的承载能力而引起的。
开裂可分为静态开裂和动态开裂，静态开裂主要是由于静态应力或静态应变引起的，动态开裂则是由于载荷的频率和幅度引起的。
3. 老化：聚合物材料随着时间的推移，可能会发生老化现象，导致材料性能的衰退和失效。
聚合物材料的老化主要表现为材料硬化、脆化、变形率的增加等，这些变化可能是由于化学反应、热量和光照等因素引起的。
聚合物的物理状态及其特点
聚合物的物理状态及其特点
聚合物是由大量重复单元组成的高分子化合物，广泛存在于自然界和人工合成中。
根据其物理状态不同，聚合物可以分为三种状态：固态、液态和气态。
每种状态都有其独特的特点和性质。
固态
在固态状态下，聚合物分子紧密排列，形成有序的晶格结构。
这种状态下的聚合物通常具有较高的密度和硬度，同时具有一定的弹性。
固态聚合物常见的形式包括晶体和非晶体两种。
晶体
固态聚合物在形成晶体结构时，分子呈有序排列，形成规则的晶格。
这种结构使得晶体聚合物具有较高的结晶度和机械性能，例如强度和硬度较高。
晶体聚合物还表现出明显的各向异性，即在不同方向上性能不同。
非晶体
非晶体聚合物则是指分子排列较为无序，没有明显晶格结构的聚合物状态。
这种状态下的聚合物通常具有较低的结晶度和强度，但具有较好的韧性和韧度。
非晶体聚合物在加工和改性方面具有一定的优势，因为其结构较为灵活。
液态
在液态状态下，聚合物分子之间相互滑动，没有固定的空间结构。
这种状态下的聚合物表现出类似于流体的性质，具有较高的流动性和可变形性。
液态聚合物常用于溶液、涂料、胶黏剂等领域。
气态
在气态状态下，聚合物的分子高度分散，并以气体形式存在。
气态聚合物通常具有较低的密度和较高的可压缩性，常见于气体分离、气体存储等领域。
总的来说，聚合物的物理状态在很大程度上影响着其性能和用途。
不同状态下的聚合物具有各自独特的特点，科学家们正通过不断的研究和改进，探索聚合物在不同状态下的性能和应用，为工程和科学领域带来更多可能性。
3.2 聚合物的分子运动和物理状态
与外界条件相适 应的另一种平衡状态
低分子是瞬变过程
此过程只需 10-9 ～ 10-10 秒。
高分子是速度过程 需要时间
松弛过程
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（三）、分子运动的温度依赖性
1.活化运动单元
温度升高，增加了分子热运动的能量，当达到某 一运动单元运动所需的能量时，就激发这一运动单元 的运动。
2.增加分子间的自由空间
温度升高，高聚物发生体积膨胀，自由空间加大。 当自由空间增加到某种运动单元所需的大小时，这一运 动单元便可自由运动。
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意义 从工艺上：Tg 是塑料使用的上限温度
Tg是橡胶的使用下限温度，上限温度是T
从学科上：Tg是衡量聚合物链柔性高低的表征温度。Tg 越小，链的柔性越好 总之，Tg是聚合物的特征温度之一，可作为表征高聚物的指标
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转变机理：自由体积理论
自由体积理论认为聚合物的体积是由两部分组成：高分 子链本身所占的体积和高分子链间未被占据的空隙。高分 子链间未被占据的空隙称自由体积。
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形 变
玻 璃 态
玻 璃 化 转
I
变 区
高弹态 II
粘弹态粘II流IM态a
转 变 区
Mb Mb > Ma
交联聚合物
Tg
温度 Tf
由玻璃态向高弹态发生突变的区域叫玻璃化转变区，玻璃态开始向高弹 态转变的温度称为玻璃化转变温度，以Tg表示。
当温度升到足够高时，聚合物完全变为粘性流体，其形变不可逆，这种 力学状称为粘流态。高弹态开始向粘流态转变的温度称为粘流温度，以Tf 表示，其间的形变突变区域称为粘弹态转变区。分子量越大，Tf越高。交 联聚合物由于分子链间有化学键连接，不能发生相对位移，不出现粘流态。
宁波大学考研真题883材料科学基础2016年-2017年
入学考试试题(A卷)(答案必须写在答题纸上)考试科目:材料科学基础科目代码：883适用专业:材料工程一、单项选择题（本大题共10小题，每小题2分，共20分）1、下列几种键合中，键能最弱的是（）。
A、金属键B、离子键C、范德瓦耳斯力D、氢键2、体心立方晶体的致密度为（）。
A、100%B、68%C、74%D、88%3、一定成分的固相，在某一温度下同时分解成两个成分与结构不相同的固相。
（）A、共晶反应；B、共析反应；C、包晶反应；D、包析反应。
4、铁碳相图中，通过包晶反应能获得的组织为：（）。
A、珠光体；B、奥氏体；C、莱氏体；D、渗碳体。
5、小角度晶界模型中的倾转晶界是由（）组成的。
A、刃型位错B、螺旋位错C、混合位错D、位错中心重叠6、马氏体转变是（）。
A、扩散型相变B、二级相变C、液-固相变D、无扩散型相变入学考试试题(A卷)(答案必须写在答题纸上)考试科目:材料科学基础科目代码：883适用专业:材料工程7、凝固时不能有效降低晶粒尺寸的是以下那种方法？（）A、加入形核剂B、减小液相的过冷度C、对液相进行搅拌8、菲克第一定律表述了稳态扩散的特征，即浓度不随（）变化。
A、距离B、时间C、温度9、高分子晶体的基本结构单元是（）。
A、原子B、分子C、离子D、分子链链段10、聚合物基复合材料制备的大体过程不包括（）。
A．预浸料制造B．制件的铺层C．固化及后处理加工D．干燥二、名词解释（本大题共10小题，每小题3分，共30分）1.位错2.晶体3.合金4.间隙固溶体5.形变强化6.再结晶7、聚合度入学考试试题(A卷)(答案必须写在答题纸上)考试科目:材料科学基础科目代码：883适用专业:材料工程8、官能度9、复合材料10、屈服强度三、简答题（本大题共6小题，每小题8分，共48分）1、阐述主价键和次价键的特点，并讨论由此产生的材料性能上的区别。
2、什么叫临界晶核半径？说明它的物理意义。
3、一般说来，同一种物质，其固体的表面能要比液体的表面能大，试说明原因。
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请从分子运动机理角度说明无定形聚合物的
三种力学状态。
无定形聚合物是指在常温下具有无定形结构的高分子材料，比如
塑料、橡胶等。
这些聚合物的结构并非规则排列，而是具有一定的松
散度和无序性。
从分子运动机理角度来看，无定形聚合物分为三种力
学状态，分别是玻璃态、橡胶态和流动态。
1. 玻璃态：玻璃态是指无定形聚合物的分子处于较固定的空间结
构中，且分子间距离较近，难以流动。
当温度升高时，无定形聚合物
分子就会开始运动，分子间距离变大，材料变得易于加工。
但当温度
过高时，分子间距离变得过大，材料又会退回到玻璃态。
2. 橡胶态：橡胶态是指在一定温度下，无定形聚合物的分子具有
较强的运动能力，分子间距离趋于均匀，材料呈现出高度的柔软和可
塑性。
此时，无定形聚合物分子已经接近自由状态，能够随着外部力
的引导而产生变形和形状改变。
但在橡胶态下，无定形聚合物的分子
还没有到达流动态。
3. 流动态：流动态是指无定形聚合物的分子已经达到完全自由的
状态，并能够随意运动和流动。
此时，材料具有足够的流动性，可以
通过流动、挤压和成型等加工方式得到所需要的形状。
但在流动态下，无定形聚合物的分子密度较低，材料也相对不稳定，易于发生热塑性
变形。
因此，无定形聚合物的三种力学状态并非固定不变，而是受温度、压力和其他外部因素的影响而变化。
对于材料的制造和加工，需要根
据实际需要选择适当的制造温度和处理方法，以达到最理想的材料性
质和机械性能。