第七章 高聚物的力学性质
高弹态高聚物的力学性质
δ—力学损耗角，可以用tanδ表示内耗的大小
动态力学分析
当样品受到变化着的外力作用时，产生相应的应 变。在这种外力作用下，对样品的应力-应变关系 随温度等条件的变化进行分析，即为动态力学分 析。
高弹态高聚物
橡胶高弹性的特点：
形变量大（链段长，具有柔性） 形变可恢复（交联结构） 弹性模量小且随温度升高而增大 形变伴有热效应（分子内摩擦，结晶）
弹性变形
一、弹性变形及其实质
弹性变形及其实质：弹性变形是一种可逆变形（即卸载 后可以恢复变形前形状的变形，热力学意义上的可逆变 形）。
弹性变形
聚合物力学性能
高弹态高聚物的力学性质
高弹态
定义：聚合物达到玻璃态转变温度以后，链 段运动激化，受力后能产生可以回复的大形 变，此时的状态称之为高弹态。
高弹态和玻璃态、粘流态一样，是聚合物特 有的力学状态，它可表现出橡胶的弹性行为
高弹态
高弹性的本质：
高弹性是由熵变引起的，在外力作用下，聚 合物分子链由卷曲状态变为伸展状态，熵减 小；当外力移去后，由于热运动，分子链自 发的趋向熵增大状态，所以形变可逆。
测量过程中通过控制样品炉的升温程序
炉温范围：-150℃～600℃（注意：设置温度禁止超 过材料熔点）
升温速率：0.1℃/min～40℃/min（400℃后 25℃/min）
降温速率：0.1℃/min～20℃/min 或改变频率：频率范围：1.6×10-3～200Hz。最后
可得到，和对温度（T）、频率（HZ）或时间（t） 的图谱。
样品制备:
根据不同的材质进行制样：薄膜、片材等
高弹态
玻璃态和结晶态高聚物的力学性质
继续屈服
弹性变形后继续施加载荷，则产生塑性形变，称为继 续屈服，包括： •应变软化：屈服后，应变增加，应力反而有稍许下 跌的现象，原因至今尚不清楚。 •呈现塑性不稳定性，最常见的为细颈。
•塑性形变产生热量，试样温度升高，变软。
•发生“取向硬化”，应力急剧上升。 •试样断裂。
屈服机理
银纹 银纹屈服 应力发白 脆性材料
分类：应力银纹、环境银纹(内应力)、溶剂银纹。 什么材料中？大多在玻璃态高聚物如PMMA、PS、PC； 也可晶态高聚物如PE、PP、POM中，甚至热固性材料 如PF、EPOXY等也可观察到。 银纹体：产生银纹的区域，其结构？
Microstructure of crazing
银纹体 = 空穴 + 微纤 质量不为零，约是本体密度 的1/2。 微纤连接银纹体的两个面， 由高分子链构成并沿外力方 向高度取向(塑性形变)。
剪切带 剪切屈服
细颈(宏观) 韧性材料
----形变过程都表现为不均匀的局部应变。
①银纹（Craze）屈服
定义：在拉伸应力及环境的作用下材料内部的某些薄弱部 位因局部应力集中而产生的空化条纹状形变区。 位置：在材料表面或内部垂直于应力方向上。
大小：一般长度100µ m、宽度10µ m左右、厚度约1µ m。
小球晶 大球晶
其内部的空隙和结 晶界面的缺陷较多
ε
The Degree of Crystallization 结晶度
高：强度、模量、硬度均提高 太高：韧性及断裂伸长降低
Different types of stress-strain curve
软而弱 硬而脆 硬而强
软而韧 硬而韧
“软”和“硬”用于区分模量的低或高，“弱”和“强” 是指强度的大小，“脆”是指无屈服现象而且断裂伸长很 小，“韧”是指其断裂伸长和断裂应力都较高的情况。
第七章 力学性质(高分子材料的变形特点与金属材料的变形特点)
力学性质
本章重点内容
1.高分子材料的变形特点与金属材料的变形特点的 比较.
1.1金属材料的变形特点及其微观解释.
1.2高分子材料的变形特点.
2.几个重要概念.
弹性变形 塑性变形 拉伸应力 真 应 力
屈服 真应变
弹性变形:
材料的变形过程中如果应力与应变成比例则称为弹性变形.
塑性变形:
对于大多数金属材料来说,其弹性变形不足其应变的0.005, 当变形超过这一数值,则应力与应变不再服从胡克定律,即发
滑移系来满足各晶粒变形是相互协调的要求。
本章总结
金属应力应变与高分子材料的应力应变特点的比较. 金属材料应力应变的微观解释.(特点并给出解释)
弹性变形的主要特征是：
• （1）理想的弹性变形是可逆变形，加载时变形， 卸载时变形消失并恢复原状。
• （2）金属、陶瓷和部分高分子材料不论是加载或 卸载时，只要在弹性变形范围内，其应力与应变 之间都保持单值线性函数关系，即服从虎克 （Hooke）定律： 在正应力下，s = Ee， 在切应力下，t =Gg， 式中，s，t分别为正应力和切应力；e，g分别 为正应变和切应变；E，G分别为弹性模量（杨氏
真应变:
如果无体积变化的情况下真应变与真应力的关系为: εT=ln(1+ε)
弹性变形的本质
• 弹性变形是指外力去除后能够完全恢复的那部分变形， 可从原子间结合力的角度来了解它的物理本质。
• 原子处于平衡位置时，其原子间距为r0，位能U处于 最低位置，相互作用力为零，这是最稳定的状态。当 原子受力后将偏离其平衡位置，原子间距增大时将产 生引力；原子间距减小时将产生斥力。这样，外力去 除后，原子都会恢复其原来的平衡位置，所产生的变 形便完全消失，这就是弹性变形。
高分子物理——聚合物的屈服与断裂
一、玻璃态高聚物的拉伸
（1）屈服点
应力达到一个极大值，屈服应力 （2）断裂方式(材料破坏有二种方式)
脆性断裂：屈服点之前发生的断裂
断裂表面光滑
不出现屈服
韧性断裂：在材料屈服之后的断裂(明显屈
服点和颈缩现象)
北京理工大学
断裂表面粗糙
（3）应变软化和应变硬化
应变软化：在拉伸过程中，应力随应变的增 大而下降
PVC在室温、图中表明的应变速率下测得的应力-应变曲线
随着拉伸速度提高，聚合物的模量增加，屈 服应力、断裂强度增加，断裂伸长率减少
• 柔性很大的链在冷却成玻璃态时，分子 之间堆砌得很紧密，在玻璃态时链段运 动很困难，要使链段运动需要很大的外 力，甚至超过材料的强度，刚性大，冷 却时堆砌松散，分子间相互作用力小， 链段活动余地较大，这种高聚物在玻璃 态时具有强迫高弹而不脆，脆点低， Tb,Tg间隔大，另外如果刚性太大，链段 不能运动，也不出现高弹形变。
0 exp(
RT )
对于某一种高聚物存在一个特征温度（Tb），只 要温度低于Tb，玻璃态高聚物就不能发展强迫高 弹形变。玻璃态高聚物只有处在Tb到Tg的温度范 围内，才能在外力作用下实现强迫高弹形变。
北京理工大学
外力 E a 拉伸速率 0 exp( ) 结构 RT 柔性高分子链：在玻璃态时呈现脆性。Tb≈Tg 刚性高分子链：较刚性：易出现受（强）迫 高弹性，脆点较低，Tb与Tg间隔较大。 高刚性：链段运动更加困难，Tb与Tg也很接 近。 分子量 分子量较小时，在玻璃态堆砌较紧密，呈现 脆性，Tb~Tg较接近。 当分子量增加到一定程度以后，Tb与Tg差距拉 大，直到达到临界值 北京理工大学
（B）受（强）迫高弹形变:材料在屈服后出现了
高分子物理---第七章 聚合物的粘弹性
粘性响应
d dt
0 sin t
sin udu
d dt
0 sin t
0
cos u C
cos t /
0
d sin tdt
0
cos t
π
π
0 滞 sin( t ) 后 2 /2
线形聚合物 交联聚合物
t
t
不能产生质心位 移, 应力只能松 弛到平衡值
高分子链的构象重排和分子链滑移是导致材料 蠕变和应力松弛的根本原因。
影响应力松弛的主要因素
影响应力松弛的主要因素有温度和交联 温度：温度对应力松弛的影响较大。T≥Tg时，链运动 受到内摩擦力很小，应力很快松弛掉。T≤Tg时，如常 温下塑料，虽然链段受到很大应力，但由于内摩擦力很 大，链运动能力较弱，应力松弛很慢，几乎不易察觉， 只有Tg附近几十度范围内，应力松弛现象才较明显。 交联：橡胶交联后，应力松弛大大地被抑制，而且应力 一般不会降低到零。其原因：由于交联的存在，分子链 间不会产生相对位移，高聚物不能产生塑性形变。 和蠕变一样，交联是克服应力松弛的重要措施。
0
b
面积大小为单位体积内材料在每一次拉伸-回缩 循环中所消耗的功
(3) 内耗 Internal friction (力学损耗)
0 sin t 0 sin( t )
展开
0 sin t cos 0 cos t sin
类似于Hooke’s solid, 相当于弹性 类似于Newton Liquid, 相当于粘性
B 分子量：分子量增大，聚合物的抗蠕变性能变好。 因为随着聚合物分子量的增大，分子链之间的缠结 点增多（类似于物理交联点），故在一定程度上改 变材料的流动和蠕变行为。 C 交联：交联对高聚物的蠕变性能影响非常大。 理想的体型高聚物蠕变曲线仅有普弹和高弹形变， 回复曲线最终能回复到零，不存在永久变形，所以 说，交联是解决线型高弹态高聚物蠕变的关键措施。
第七章_粘弹性
0
虎克定律 Hooke’s law
E
弹性模量 E
Elastic modulus
Ideal elastic solid 理想弹性体 形变对时间不存在依赖性
牛顿定律 Newton’s law
d dt
.
粘度 Viscosity
比例常数（粘度）是常数，不随剪切力和剪 切速率的大小而改变的。这种类型的流体称 为牛顿流体。 剪切应力与剪切速率成正 比：流体的流速越大，受 到的阻力越大
Ideal viscous liquid 理想粘性液体
外力除去后完全不回复
高分子液体不完全服从牛顿流动定律，属于非牛顿型流体 。
→0）近似遵循牛顿流动 对大多数高分子熔体而言，低速流动时（ 定律，其粘度称零剪切粘度，也记为0 ；流速较高时，剪切应力 与剪切速率之间不再呈直线关系。
表观粘度 a ——定义曲线上一点到坐 标原点的割线斜率为流体的表观粘度
t
) t 3
蠕变的影响因素 （1）温度：温度升高，蠕变速率增大，蠕变程度变大 因为外力作用下，温度高使分子运动速度 加快，松弛加快 （2）外力作用大，蠕变大，蠕变速率高（同于温度的作用） ε
τ—推迟时间（蠕变松弛时间）
令
E
蠕变回复过程：
0
d E 0 dt d E dt
ε
ε
∞
当 t 0, 积分：
t
蠕变及蠕变回复曲线
E t
(t )
d
dt
0
E
t
(t ) E ln t (t ) t e
链段可运动，但又跟不上外力的变化，表现出明显的
《高分子物理》课件-第七章粘弹性
第7 章聚合物的粘弹性形变对时间不存在依赖性εσE =虎克定律理想弹性体外力除去后完全不回复dt d εηγησ==.牛顿定律理想粘性体弹性与粘性弹性粘性储能性可逆性σ与ε的关系与t 关系瞬时性依时性储存耗散回复永久形变εσE =dt d εηγησ==.虎克固体牛顿流体粘弹性力学性质兼具有不可恢复的永久形变和可恢复的弹性形变小分子液体–粘性小分子固体–弹性在时间内，任何物体都是弹性体在时间内，任何物体都是粘性体在的时间范围内，任何物体都是粘弹体超短超长一定高分子材料具有显著的粘弹性粘弹性分类静态粘弹性动态粘弹性蠕变、应力松弛滞后、内耗7.1 粘弹性现象7.1.1 蠕变（creep)在一定的温度下，软质PVC丝钩一定的砝码，会慢慢伸长蠕变：指在一定的温度和较小的恒定外力作用下，材料的形变随时间的增加而逐渐增大的现象蠕变反映了材料的尺寸稳定性及长期负荷能力从分子运动和变化的角度分析线性PVC的形变—时间曲线，除去外力后，回缩曲线？11E σε=1ε1t 2t t键长和键角发生变化引起，形变量很小，瞬间响应σ：应力E 1：普弹形变模量1.普弹形变链段运动使分子链逐渐伸展发生构象变化引起τ：松弛时间，与链段运动的粘度η2和高弹模量E 2有关，τ＝η2/ E 2)1(/22τσεt eE --=2ε1t t2t 2.高弹形变3ε2t 1t t外力作用造成分子间的相对滑移（线型高聚物）t33ησε=η3——本体粘度3.粘性流动t eE E t t 3/21321)1()(ησσσεεεετ+-+=++=-线型高聚物的蠕变曲线总应变交联聚合物的蠕变曲线1.由于分子链间化学键的键合，分子链不能相对滑移，在外力作用下不产生粘性流动，蠕变趋于一定值2. 无粘性流动部分，能完全回复T<T g 时，主要是()，T>T g 时，主要是()A ε1B ε2C ε3三种形变的相对比例依具体条件不同而不同下列情况那种形变所占比例大？A B聚合物蠕变的危害性蠕变降低了聚合物的尺寸稳定性抗蠕变性能低不能用作工程塑料如：PTFE不能直接用作有固定尺寸的材料硬PVC抗蚀性好，可作化工管道，但易蠕变影响蠕变的因素1.温度2.外力3.分子结构蠕变与T，外力的关系温度外力蠕变T过低外力过小T过高外力过大T g附近适当外力很小很慢，不明显很快，不明显明显（链段能够缓慢运动)23℃时几种高聚物蠕变性能10002000（％）小时2.01.51.00.512345t链的柔顺性主链含芳杂环的刚性高聚物，抗蠕变性能较好12345聚苯醚PCABS(耐热)POM尼龙如何防止蠕变？◆交联橡胶通过硫化来防止由蠕变产生不可逆的形变◆结晶微晶体可起到类似交联的作用◆提高分子间作用力7.1.2 应力松弛(stress relaxation)在一定温度、恒定应变的条件下，试样内的应力随时间的延长而逐渐减小的现象应力松弛的本质加力链段运动使分子链间相对位置的变化分子重排，以分子运动来耗散能量，从而维持一定形变所需要的力逐渐减小交联聚合物和线形聚合物的应力松弛t交联线性高聚物的应力松弛曲线t不同温度下的应力松弛曲线应力松驰与温度的关系温度过高应力松驰很快温度过低内摩擦力很大，应力松驰极慢T g 附近应力松驰最为明显123应力松弛的应用对密封制件，应力松弛行为决定其使用寿命高分子制件加工中，应力松弛行为决定残余应力的大小不变的量变化的量蠕变应力松弛蠕变与应力松弛比较温度力形变根本原因高分子链的构象重排和分子链滑移应力温度形变动态粘弹性在交变应力或交变应变作用下材料的力学行为σωtπ2πεωtδεωtδ正交变化的应力：t sin )t (0ωσσ=无相位差，无能量损耗理想弹性体tsin )t (0ωεε=有相位差，功全部损耗成热理想粘性液体)2-t sin( )t (0πωεε=相位差δ，损耗部分能量)-t sin( )t (0δωεε=聚合物(粘弹性)高聚物在交变应力作用下的应变变化落后于应力变化的现象tt o ωσσsin )(=)sin()(δωεε-=t t o 0<δ<π/2滞后现象原因链段运动时受到内摩擦阻力, 外力变化时,链段运动跟不上外力的变化内摩擦阻力越大，δ 也就越大，滞后现象越严重外力对体系做的功每次形变所作的功= 恢复形变时所作的功无滞后时没有功的消耗每一次循环变化会有功的消耗，称为内耗有滞后时产生形变提供链段运动时克服内摩擦阻力所需要的能量滞后现象的危害σεσ0ε1拉伸硫化橡胶拉伸—回缩应力应变曲线拉伸曲线下面积为外力对橡胶所作的功回缩曲线下面积为橡胶对外力所作的功滞后环面积越大,损耗越大ε0回缩ε2面积之差损耗的功δεπσsin o o W =∆δ :力学损耗角,常用tanδ来表示内耗大小)]dt-t cos(t)[sin ()t (d )t (W Δ020200δωωεωσεσωπωπ⎰⎰==σεσ0回缩拉伸内耗角δεπσsin o o W =∆δ=0，△W=0,所有能量都以弹性能量的形式存储起来滞后的相角δ决定内耗δ=900，△W→max , 所有能量都耗散掉了滞后和内耗对材料使用的利弊？用作轮胎的橡胶制品要求内耗小（内耗大，回弹性差）隔音材料和吸音材料要求在音频范围内有较大的力学损耗防震材料要求在常温附近有较大的力学损耗温度内耗很高很低T g 附近1. 温度影响滞后和内耗的因素高小小小小大大2.外力变化的频率高聚物的内耗与频率的关系频率 内耗很高很低适中小小小小大大橡胶品种内耗顺丁丁苯丁腈3.内耗与分子结构的关系对于作轮胎的橡胶，则选用哪种？内耗大的橡胶，吸收冲击能量较大，回弹性较差较小较大较大7.1.3 粘弹性参数静态粘弹性蠕变应力松弛模量柔量应力，应变与时间的关系模量、柔量与时间的关系蠕变柔量)()(σεt t D =应力松弛模量)()(εσt t E =tsin (t)0ωεε=t cos sin t sin cos (t)00ωδσωδσσ+=)t sin( (t)0δωσσ+=δεσcos '00=E δεσsin "00=E E ′—储能模量，反映材料形变时的回弹能力（弹性）E ″—耗能模量，反映材料形变时内耗的程度（粘性）1.力学损耗角,tg δ动态粘弹性2.动态模量用复数模量的绝对值表示（绝对模量）2''2'*||E E E E +==通常E ″＜＜E ′，常直接用E ′作为材料的动态模量。
第七章 高聚物的力学性质.ppt
2
第七章 高聚物的力学性质
1-1 力学性能分类
• 力学性能是高聚物优异物理性能的基础 • 如：某高聚物磨擦，磨耗性能优良，但力
学性能不好，很脆。不能用它作减摩材料
• 如：作电线绝缘材料的高聚物，也要求它
们有一定的力学性能：强度和韧性。如果 折叠几次就破裂，那么这种材料的电绝缘 性虽好，也不能用作电线。
乙丙橡胶： CH2 CH2 CH CH2
CH3
丙烯睛—丙烯酸酯胶：
CH2 CH CH2 CH
CN
RO C O
(2)主链上含双键较少的丁基橡胶（异丁烯与 异戊二烯）
2019/11/7
30
第七章 高聚物的力学性质
(3)主链上含S原子的聚硫橡胶
CH2 CH2 S S SS
(4)主链上含有O原子的聚醚橡胶
f
77%
33%
11%
4%
固定拉伸时的张力－温度曲线
T (K )
• 截距为
u
( l )T,V；斜率为
f
。 (T )l,V
• 发现各直线外推到 T 0 时均通过原点，
即截距为0
2019/11/7
25
第七章 高聚物的力学性质
• 得：f
T
(
S T
)
l
,V
• 所以橡胶拉伸时，内能几乎不变，而主要引
它与一般材料的普弹性的差别就是因为构象的改 变；形变时构象熵减小，恢复时增加。内能在高弹 性形变中不起主要作用（它却是普弹形变的主要起 因）
2019/11/7
14
第七章 高聚物的力学性质
（2）高聚物的粘弹性：指高聚物材料不但具有弹 性材料的一般特性，同时还具有粘性流体的一些 特性。弹性和粘性在高聚物材料身上同时呈现得 特别明显。
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• 如何改善橡胶的耐热性和耐寒性，即扩大
其使用温度的范围是十分重要的。
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一.改善高温耐老化性能，提高耐热性
硫化的橡胶具有交联的网状结构，除非分
子链断裂或交联链破坏，否则不会流动的，硫 化橡胶耐热性似乎是好的。
但实际硫化橡胶在120℃已难以保持其物 理机械性能，170~180℃时已失去使用价值， 为什么呢？橡胶主链中含有大量双键，易被臭
聚丙烯晴有极性，所以主链内旋转难，
较刚性，Tg高于室温，用丁二烯与丙烯晴共 聚后的丁睛橡胶为-42℃
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37
3.降低聚合物结晶能力
线型聚乙烯分子链很柔，Tg很低，但由于规整 度高，所以结晶，聚乙烯难以当橡胶用，引入体积 较小的非极性取代基甲基来破坏其聚乙烯分子链的 规整性，从而破坏其结晶性，这就是乙烯与丙烯共 聚橡胶Tg=-60℃。
橡胶的内能随伸长而变化，一方面使橡胶
的熵随伸长而变化。
• 或者说：橡胶的张力是由于变形时内能发
生变化和熵发生变化引起的。
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S G G f ( l) T , V [ l( T ) l,P ] T , V [ l( T ) T ,P ] l, V ( T ) l, V
两个力。
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应变 应力
张应变：
l l0 l0
真应变：
l dl i l l0 i
张应力：
F
真应力： A 0
F A
切应变：
r tg
是偏斜角
切应力：
s
F A0
压缩应变：
V V0
压力P
2020/3/10
10
弹 杨氏模量： 切变模量：
耐寒性不足的原因是由于在低温下橡胶会发生 玻璃化转变或发生结晶，而导致橡胶变硬变脆，丧 失弹性。
而导致聚合物玻璃化的原因是分子互相接近， 分子间互相作用力加强，以致链段的运动被冻结， 因此:
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• ①任何增加分子链的活动性，削弱分子间
相互作用的措施都会使Tg下降，
• ②任何降低聚合物结晶能力和结晶速度的
氧破坏而裂解，双键旁的α次甲基上的氢容易 被氧化而降解或交联
2020/3/10
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为了改善其耐老化性能我们采取 1.改变橡胶主链结构 (1)主链不含双键
乙丙橡胶： CH2 CH2 CH CH2
CH3
丙烯睛—丙烯酸酯胶：
CH2
CH CN
CH2 CH RO C O
(2)主链上含双键较少的丁基橡胶（异丁烯与 异戊二烯）
2020/3/10
30
(3)主链上含S原子的聚硫橡胶
CH2 CH2 S S SS
(4)主链上含有O原子的聚醚橡胶
OC H 2
(5)主链上均为非碳原子的二甲基硅橡胶
CH3 O Si
CH3
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• 2.改变取代基结构
• 带有供电子取代基的橡胶易氧化：
天然橡胶、丁苯橡胶
• 带有吸电子取代基的橡胶不易氧化：氯丁
橡胶、氟橡胶
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• 3.改变交联链的结构
• 原则：含硫少的交联链键能较大，耐热性
好，如果交联键是C-C或C-O，键能更大， 耐热性更好。
（氯丁橡胶用ZnO硫化交联键为-C-O-C-，天 然橡胶用过氧化物或辐射交联，交联键为C-C-）
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二. 降低 Tg，避免结晶，改善耐寒性
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1-2 表征材料力学性能的基本物理量
受 简单拉伸
力
F
方
式
l0
F
简单剪切
F θ F
均匀压缩
参数
, , , , ,
受 外力F是与截面 外力F是与界面 材料受到的 力 垂直，大小相等，平行，大小相 是围压力。 特 方向相反，作用 等，方向相反 点 在同一直线上的 的两个力。
本 也身越低Tg有。关，增塑剂的Tg越低，则增塑聚合物的Tg
• 注意增塑剂的副作用
它使分子链活动性增加，也为形成结晶结构创 造 结晶了形条成件的，可所能以性用。增塑剂降低Tg的同时，也要考虑
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2.用共聚法
聚苯乙烯有大的侧基，所以主链内旋转
难，较刚性，Tg高于室温，但共聚后的丁苯 橡胶为-53℃
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第二节 高弹性
• 2-1 高弹性的特点 • 2-2 平衡态高弹性热力学分析 • 2-3 橡胶的使用温度
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2-1 高弹性的特点
• 高弹态是高聚物所特有的，是基于链段运动的
一种力学状态，可以通过高聚物在一定条件下， 通过玻璃化转变而达到
• 处于高弹态的高聚物表现出独特的力学性能
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• 既然拉伸时熵减小，dS为负值，所以
dQTdS也应该是负值，说明了拉伸过程中 为什么放出热量。
由于理想高弹体拉伸时只引起熵变，或者 说只有熵的变化对理想高弹体的弹性有贡 献，也称这种弹性为熵弹性
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2-3 橡胶的使用温度
• 在高于一定温度时，橡胶由于老化而失去
11
1-3 高聚物力学性能的特点
• 1．高聚物材料具有所有已知材料可变性范
围最宽的力学性质，包括从液体、软橡皮 到很硬的固体，各种高聚物对于机械应力 的反应相差很大。
• 例如：
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• PS制品很脆，一敲就碎（脆性） • 尼龙制品很坚韧，不易变形，也不易破碎
（韧性）
• 轻度交联的橡胶拉伸时，可伸长好几倍，
20
• 原因：由于橡胶是长链分子，整个分子的
运动都要克服分子间的作用力和内摩擦力， 高弹形变就是靠分子链段运动来实现的。 整个分子链从一种平衡状态过度到与外力 相适应的平衡状态，可能需要几分钟，几 小时甚至几年。
也就是说在一般情况下形变总是落后与外 力，所以橡胶形变需要时间
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21
2-2 平衡态高弹形变的热力学分析
2020/3/10
19
• ③在快速拉伸时（绝热过程），高聚物温
度上升；而金属材料温度下降。如果把橡 胶薄片拉长，把它贴在嘴唇或面颊上，就 会感到橡皮在伸长时发热，回缩时吸热。
• ④形变与时间有关，橡胶受到外力（应力
恒定）压缩或拉伸时，形变总是随时间而 发展，最后达到最大形变，这种现象叫蠕 变。
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由内部构象熵变引起的，所以也称熵弹性（橡胶具有 高弹性）
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• 静态力学性能：在恒应力或恒应变情况下的力学
行为
• 动态力学性能：物体在交变应力下的粘弹性行为
• 应力松弛：在恒应变情况下，应力随时间的变化
• 蠕变：在恒应力下，物体的形变随时间的变化
• 强度：材料所能承受的应力
• 韧性：材料断裂时所吸收的能量
学性能不好，很脆。不能用它作减摩材料
• 如：作电线绝缘材料的高聚物，也要求它
们有一定的力学性能：强度和韧性。如果 折叠几次就破裂，那么这种材料的电绝缘 性虽好，也不能用作电线。
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形变性能 Deformation
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弹性 Elasticity
普弹性 高弹性 High elasticity
力解除后基本恢复原状（弹性）
• 胶泥变形后，却完全保持新的形状（粘性）
• 高聚物力学性质的这种多样性，为不同的
应用提供了广阔的选择余地
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• 2.高聚物力学性能的最大特点是 ——
高弹性和粘弹性
（1）高聚物的高弹性：是由于高聚物极大的分子量 使得高分子链有许多不同的构象，而构象的改变导 致高分子链有其特有的柔顺性。链柔性在性能上的 表现就是高聚物的高弹性。
即截距为0
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• 得：f T(TS)l,V
• 所以橡胶拉伸时，内能几乎不变，而主要引
起熵的变化。就是说，在外力作用下，橡胶 分子链由原来蜷曲无序的状态变为伸直有序 状态。熵由大变小，由无序变有序；终态是 不稳定体系，当外力除去以后，就会自发地 恢复到初态，也就是说，橡皮由拉伸态恢复 到原来状态是熵增过程（自发过程），也就 解释了高弹形变为什么是可回复的。
第七章 高聚物的力学性能
第一节 概 述 第二节 高弹性 第三节 粘弹性 第四节 极限力学行为（屈服、破坏与
强度）
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第一节 概述
• 1-1 力学性能分类 • 1-2 表征力学性能的基本物理量 • 1-3 高聚物力学性能的特点
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1-1 力学性能分类
• 力学性能是高聚物优异物理性能的基础 • 如：某高聚物磨擦，磨耗性能优良，但力
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常用术语：
• 力学行为：指施加一个外力在材料上，它产生怎
样的形变（响应）
• 形变性能：非极限情况下的力学行为
• 断裂性能：极限情况下的力学行为
• 弹性：对于理想弹性体来讲，其弹性形变可用虎
克定律来表示，即：应力与应变成正比关系，应 变与时间无关
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• 粘性：在外力作用下，分子与分子之间发生位移，理
措施均会增加聚合物的弹性，提高耐寒性 （因为结晶就是高分子链或链段规整排列， 它会大大增加分子间相互作用力，使聚合 物强度增加，弹性下降）
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