高分子材料的力学状态优秀课件
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第三章高分子材料的物理化学性质-PPT课件
第三章 高分子材料的物理化学性质
• 特别是溶解、溶胀、凝胶化、相变、
黏弹性、力学强度和通透性等涉及到
药物制剂辅料的处理及制剂中药物的
释放。
第一节 高分子溶液的理化性质
一．高聚物溶解过程的特点(相对复杂) 1．高聚物溶解缓慢且分两个阶段
① 溶胀：溶剂分子渗入高聚物内部，使高聚物体
积膨胀的现象
② 溶解：高分子以分子状态均匀分散在溶剂中，
• 高聚物的力学性质随时间的变化统称为力学松弛， 主要表现有：蠕变、应力松弛、内耗
1．蠕变：在一定的温度和较小的恒定外力(拉力、 压力或扭力等)作用下，材料的形变随时间的增 加而逐渐增大的现象。反映材料尺寸稳定性的优 劣。(Tg到Tg +30度之间，易观察到蠕变。蠕变与柔性有关，柔
性增加，蠕变增大，抗蠕变能力减弱。
拉断为止，断裂前试样承受的载荷 P与试样的宽
度b和厚度d的乘积的比值 冲击强度：试样受冲击载荷而破裂时单位面积所吸
收的能量，它是衡量材料韧性的一种强度指标 。
• 弯曲强度：是在规定试验条件下，对标准试样施 加静弯曲力矩，直到试样折断为止，取试验过程 中的最大载荷P，并按下式计算弯曲强度 σf =1.5Pl0/(bd2)
应力：材料发生宏观的变形时，其内部分子 间以及分子内各原子间的相对位置和距离
就要发生变化，产生了原子间及分子之间
的附加的内力，抵抗着外力，并力图恢复
到变化前的状态，达到平衡时，附加内力
与外力大小相等，方向相反。
形变有三种基本的类型：
受力方式 简单拉伸 简单剪切 均匀压缩
应力
应变
拉伸应力
拉伸应变
剪切应力
)
2．应力松弛：在恒定温度和形变恒定不变的情况 下，高聚物内部的应力随时间增加而逐渐衰减的
• 特别是溶解、溶胀、凝胶化、相变、
黏弹性、力学强度和通透性等涉及到
药物制剂辅料的处理及制剂中药物的
释放。
第一节 高分子溶液的理化性质
一．高聚物溶解过程的特点(相对复杂) 1．高聚物溶解缓慢且分两个阶段
① 溶胀：溶剂分子渗入高聚物内部，使高聚物体
积膨胀的现象
② 溶解：高分子以分子状态均匀分散在溶剂中，
• 高聚物的力学性质随时间的变化统称为力学松弛， 主要表现有：蠕变、应力松弛、内耗
1．蠕变：在一定的温度和较小的恒定外力(拉力、 压力或扭力等)作用下，材料的形变随时间的增 加而逐渐增大的现象。反映材料尺寸稳定性的优 劣。(Tg到Tg +30度之间，易观察到蠕变。蠕变与柔性有关，柔
性增加，蠕变增大，抗蠕变能力减弱。
拉断为止，断裂前试样承受的载荷 P与试样的宽
度b和厚度d的乘积的比值 冲击强度：试样受冲击载荷而破裂时单位面积所吸
收的能量，它是衡量材料韧性的一种强度指标 。
• 弯曲强度：是在规定试验条件下，对标准试样施 加静弯曲力矩，直到试样折断为止，取试验过程 中的最大载荷P，并按下式计算弯曲强度 σf =1.5Pl0/(bd2)
应力：材料发生宏观的变形时，其内部分子 间以及分子内各原子间的相对位置和距离
就要发生变化，产生了原子间及分子之间
的附加的内力，抵抗着外力，并力图恢复
到变化前的状态，达到平衡时，附加内力
与外力大小相等，方向相反。
形变有三种基本的类型：
受力方式 简单拉伸 简单剪切 均匀压缩
应力
应变
拉伸应力
拉伸应变
剪切应力
)
2．应力松弛：在恒定温度和形变恒定不变的情况 下，高聚物内部的应力随时间增加而逐渐衰减的
高分子材料的力学状态.pptx
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）
第7页/共35页
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与摩尔平均质量有关
第8页/共35页
2.1 高分子材料的力学状态
材料受力方式的基本类型
F
A0
A
A0
l0
l
F
F Dl
F
简单拉伸示意图
产生的形变-拉伸形变/相对伸长率
简单剪切示意图
剪切应力、剪切应变
第15页/共35页
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
第16页/共35页
2.2 高分子材料的力学性能
应力-应变曲线 Stress-strain curve
Strain softening 应变软化 B
B Y
Y
N
D
A A
plastic deformation
塑性形变
Strain hardening 应变硬化
E D A D A
O A
B
y
图2.4 非晶态聚合物的应力-应变曲线（玻璃态）
第19页/共35页
2.2 高分子材料的力学性能
第20页/共35页
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
材料力学行为课件：第七章 高分子材料的力学行为
内耗的不利方面：加速橡胶制品的老化。
内耗的有利方面：内耗有力于减震作用。
4 高耐磨性 高聚物具有较高的耐磨性。 塑料经常用来制造轴承、轴套、凸轮等摩擦磨损零件。
二 高分子材料物理化学性能特点
1 高绝缘性能 导电能力低、介电常数小、介电损耗小、耐电弧性能好 塑料、橡胶厂用来做电机、电器电子工业的绝缘材料。
3 具有粘弹性特点 粘弹性：高聚物在外力作用下，同时发生高弹性变形和粘性流动， 其变形和时间相关。这种现象称为粘弹性。
高分子材料的粘弹性表现为：蠕变、应力松弛和内耗
内耗：在交变应力作用下，处于高弹态的高分子当变形速率跟不上应力变 化速率，出现应变滞后现象，导致有些能量消耗于材料中分子内摩擦并转 化为热能放出。由于力学滞后使机械能转化为热能的这种现象称为内耗。
第七章 高分子材料的力学行为
高分子材料：又称聚合物，由相对分子量大于5000的 高分子化合物为主要组分的材料。
第一节高分子材料的组织结构
一 高分子材料的概述
1 高分子链的合成
高分子链是由一种或者几种低分子化合物通过 聚合而重复链接成大分子链状结构。
链节：大分子材料中重复结构单元称为链节。 聚合度：链节的重复数目称为“聚合度”。
均聚物：有一种单体合成的高聚物称为均聚物，如聚乙烯、聚氯乙烯等。 共聚物：由两种或者两种以上的单体合成的高聚物称为共聚物。类似金属的合金
3 高分子链的特性
（1）高分子链的形态
按照几何形态，高分子链分为三种类型
线形：各链节以共价键连接成线形 长分子链，直径为几十到几百纳米， 长度可达几百纳米到几微米。
四 高分子链的聚集态和物理状态
（1）高聚物的结合力 高聚物的大分子链中各原子结合以共价键结合，这种共价键成为主价 力；结合强；影响高聚物的强度和熔化温度。 高分子链之间的吸引力为范特瓦尔力和氢键力，成为次价力。
高分子物理高分子的力学性能PPT课件
第28页/共72页
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
第29页/共72页
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
② 本质差别 a. 玻璃态高聚物只发生分子链的取向，不发生相变 b. 结晶态高聚物发生结晶的破坏，取向，再结晶。
第26页/共72页
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
（3）变为细颈的试样重新被均匀拉伸，直到出现断裂 。
第27页/共72页
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。
第17页/共72页
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。
第18页/共72页
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
不易发生相对滑移。随着交联度的增加，往往不易发 生大的形变，强度增大。例如：PE交联后，拉伸强度 可提高一倍，冲击强度可提高3-4倍。
第40页/共72页
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
（5）分子量 分子量低时，拉伸强度和冲击强度都低，随着分
子量的增加，二者都会提高。但当分子量超过一定的 数值后，拉伸强度的变化就不大了，而冲击强度则继 续增大。
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
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7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
② 本质差别 a. 玻璃态高聚物只发生分子链的取向，不发生相变 b. 结晶态高聚物发生结晶的破坏，取向，再结晶。
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7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
（3）变为细颈的试样重新被均匀拉伸，直到出现断裂 。
第27页/共72页
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。
第17页/共72页
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。
第18页/共72页
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
不易发生相对滑移。随着交联度的增加，往往不易发 生大的形变，强度增大。例如：PE交联后，拉伸强度 可提高一倍，冲击强度可提高3-4倍。
第40页/共72页
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
（5）分子量 分子量低时，拉伸强度和冲击强度都低，随着分
子量的增加，二者都会提高。但当分子量超过一定的 数值后，拉伸强度的变化就不大了，而冲击强度则继 续增大。
高分子材料(力学性能) ppt课件
三、粘弹性
§5.1 力学性能
三、粘弹性
§5.1 力学性能
2、动态粘弹性 （滞后）
• 滞后：一定温度下，受交变的应力，形变随时
间的变化跟不上力随时间的变化
应力周期性变化：σ＝σ 0 Sin ω t 应变：ε ＝ε 0 Sin（ω t ＋δ ）
落后一相位角
结果：产生滞后圈－－能耗
（机械能（弹性能）－－热能） －－－－力学损耗
如何§解5.决1 ？力学性能
1、特征
➢涂料涂装时流挂问题如何 解决？
1) 粘度大；分子量越大，粘度越大；分布越宽，粘度越大；
2) 流动机理：分子重心相对位移，是由链段的相继跃迁实 现的
3) 伴有高弹形变－－－具有粘弹性
现象：出口膨大、爬杆效应、融体破裂
一、高聚物的流动性 ？？？
§5.1 力学性能
4）是一假塑性流体：
运动单元高度取向（m 不为零）
1、拉伸过程 (非晶、结晶高聚物）
C 断裂:
脆性断裂：没有屈服，断裂面光滑；
§5.1 力学性能
四 屈服、强度与断裂
韧性断裂：出现屈服后的断裂，断裂面粗糙。
T < Tb 时： σB <σY －－－脆性断裂
1、拉伸过程 (非晶、结晶高聚物）
2) 结晶高聚物的应力~应变曲线
1、拉伸过程 (非晶、结晶高聚物） §5.1 力学性能
四 屈服、强度与断裂
注意: • 使用时υ趋于很小－－－长期强度，其远远小于所测值 ，
例：PVC: σB(1000h）＝1/2σB （测） • Tb、Tg测定时，是在一定时间尺度下，
（ υ比较小，时间长） 实际受力时（特别是在冲击力时）往往υ很高， 例：PVC 的Tb= - 50度，T使> - 30 ~ -15度
高分子材料的结构、物理状态及性能PPT(30张)
高分子化合物由低分子化合物通过聚合反应获 得。组成高分子化合物的低分子化合物称作单体。
二、高分子化合物的组成
简单的低分子化合物叫单体。由一种或几种简单的低分子 化合物通过共价键重复连接而成的链称为分子链。大分子链 中的重复结构单元叫链节。链节的重复次数即链节数叫聚合 度。例如：聚氯乙烯分子是由n个氯乙烯分子打开双键，彼此 连接起来形成的大分子链。可用下式表示：
(1) 热塑性塑料：加热时软化并熔融，可塑造成形，冷却 后即成型并保持既得形状，而且该过程可反复进行。这类塑料 有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺(尼龙)、聚甲醛、聚碳 酸脂、聚苯醚、聚砜等。这类塑料加工成形简便，具有较高的 机械性能，但耐热性和刚性比较差。
(2) 热固性塑料: 初加热时软化，可塑造成形，但固化后 再加热将不再软化,也不溶于溶剂。这类塑料有酚醛、环氧、氨 基、不饱和聚酯、呋喃和聚硅醚树脂等。它们具有耐热性高， 受压不易变形等优点，但机械性能不好。
不同键接方式对性能 影响很大，头尾键接 强度最高。
三、大分子链的形态
⑴伸直链（又称线型链） 由许多链节组成的长链，通常 是卷曲成线团状。这类结构高聚物的特点是弹性、塑性好， 硬度低，是热塑性材料的典型结构。
⑵带支链 支化型分子链，在主链上带有支链。这类结构 高聚物的性能和加工都接近线型分子链高聚物。
一、高聚物的三态
线型非晶态高聚物在不同温度下表现出三种物理状态： 玻璃态、高弹态和粘流态。在恒定应力下的变形-温度பைடு நூலகம் 线如图所示。Tb为脆化温度，Tg为玻璃化温度，Tf 为粘流 温度，Td为化学分解温度。
玻璃化温度Tg是高聚 物保持玻璃态的最高温度， 可认为是大分子链段开始 运动的最低温度。
一、高聚物的三态
（6）氯纶 难燃、保暖、耐晒、耐磨、弹性好，但是染色性 差，热收缩大，限制了它的应用。
二、高分子化合物的组成
简单的低分子化合物叫单体。由一种或几种简单的低分子 化合物通过共价键重复连接而成的链称为分子链。大分子链 中的重复结构单元叫链节。链节的重复次数即链节数叫聚合 度。例如：聚氯乙烯分子是由n个氯乙烯分子打开双键，彼此 连接起来形成的大分子链。可用下式表示：
(1) 热塑性塑料：加热时软化并熔融，可塑造成形，冷却 后即成型并保持既得形状，而且该过程可反复进行。这类塑料 有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺(尼龙)、聚甲醛、聚碳 酸脂、聚苯醚、聚砜等。这类塑料加工成形简便，具有较高的 机械性能，但耐热性和刚性比较差。
(2) 热固性塑料: 初加热时软化，可塑造成形，但固化后 再加热将不再软化,也不溶于溶剂。这类塑料有酚醛、环氧、氨 基、不饱和聚酯、呋喃和聚硅醚树脂等。它们具有耐热性高， 受压不易变形等优点，但机械性能不好。
不同键接方式对性能 影响很大，头尾键接 强度最高。
三、大分子链的形态
⑴伸直链（又称线型链） 由许多链节组成的长链，通常 是卷曲成线团状。这类结构高聚物的特点是弹性、塑性好， 硬度低，是热塑性材料的典型结构。
⑵带支链 支化型分子链，在主链上带有支链。这类结构 高聚物的性能和加工都接近线型分子链高聚物。
一、高聚物的三态
线型非晶态高聚物在不同温度下表现出三种物理状态： 玻璃态、高弹态和粘流态。在恒定应力下的变形-温度பைடு நூலகம் 线如图所示。Tb为脆化温度，Tg为玻璃化温度，Tf 为粘流 温度，Td为化学分解温度。
玻璃化温度Tg是高聚 物保持玻璃态的最高温度， 可认为是大分子链段开始 运动的最低温度。
一、高聚物的三态
（6）氯纶 难燃、保暖、耐晒、耐磨、弹性好，但是染色性 差，热收缩大，限制了它的应用。
关于高分子材料的力学性能课件
关于高分子材料的力学性能
银纹与裂纹的区别？
关于高分子材料的力学性能
银纹如何影响强度？
银 纹 的 扩 展
关于高分子材料的力学性能
中间分子 链断裂
扩展
形成裂缝
Thank You !
关于高分子材料的力学性能
硬而脆的材料主要有：低分子量的PS、酚 醛树脂、环氧树脂
关于高分子材料的力学性能
硬而强的材料主要有：硬PVC、PS、 PMMA
所讲的内容
高聚物的应力 强度理论 与应变曲线
关于高分子材料的力学性能
曲线的类型
由于高分子材料种类繁多，实际得到的材料应力－应变曲线具 有多种形状。归纳起来，可分为五类 。
（a）硬而脆型 （b）硬而强型 （c）硬而韧型 （d）软而韧型 （e）软而弱型
关于高高分分子材子料的材力料学性应能力-应变曲线的类型
关于高分子材料的力学性能
原因：
研究表明，材料内部微观结构的不均匀和 缺陷是导致强度下降的主要原因。实际高 分子材料中总是存在这样那样的缺陷，如 表面划痕、杂质、微孔、晶界及微裂缝等， 这些缺陷尺寸很小但危害很大。
这里将着重介绍银纹缺陷对断裂强度 的影响
关于高分子材料的力学性能
银纹的产生
高分子材料在使用与储存过程中或在拉伸作用 下，由于应力及环境的影响，在材料某些薄弱 地方出现应力集中而产生局部的塑性形变与取 向，在其表面或内部出现闪亮的，细长形的 “类裂纹”。
关于高分子材料的力学性能
聚合物的理论强度
从分子水平来看，聚合物之所以具有强度，主 要靠分子内的化学键合力，分子间的范德华力 和氢键。
关于高分子材料的力学性能
内部结构的破坏可归结为以下三种情况：
化学键破坏
分子间滑脱
银纹与裂纹的区别？
关于高分子材料的力学性能
银纹如何影响强度？
银 纹 的 扩 展
关于高分子材料的力学性能
中间分子 链断裂
扩展
形成裂缝
Thank You !
关于高分子材料的力学性能
硬而脆的材料主要有：低分子量的PS、酚 醛树脂、环氧树脂
关于高分子材料的力学性能
硬而强的材料主要有：硬PVC、PS、 PMMA
所讲的内容
高聚物的应力 强度理论 与应变曲线
关于高分子材料的力学性能
曲线的类型
由于高分子材料种类繁多，实际得到的材料应力－应变曲线具 有多种形状。归纳起来，可分为五类 。
（a）硬而脆型 （b）硬而强型 （c）硬而韧型 （d）软而韧型 （e）软而弱型
关于高高分分子材子料的材力料学性应能力-应变曲线的类型
关于高分子材料的力学性能
原因：
研究表明，材料内部微观结构的不均匀和 缺陷是导致强度下降的主要原因。实际高 分子材料中总是存在这样那样的缺陷，如 表面划痕、杂质、微孔、晶界及微裂缝等， 这些缺陷尺寸很小但危害很大。
这里将着重介绍银纹缺陷对断裂强度 的影响
关于高分子材料的力学性能
银纹的产生
高分子材料在使用与储存过程中或在拉伸作用 下，由于应力及环境的影响，在材料某些薄弱 地方出现应力集中而产生局部的塑性形变与取 向，在其表面或内部出现闪亮的，细长形的 “类裂纹”。
关于高分子材料的力学性能
聚合物的理论强度
从分子水平来看，聚合物之所以具有强度，主 要靠分子内的化学键合力，分子间的范德华力 和氢键。
关于高分子材料的力学性能
内部结构的破坏可归结为以下三种情况：
化学键破坏
分子间滑脱
《高分子材料性能学》PPT课件
14
八、本课程的学习方法
预备知识：材料力学、高分子材料科学基础、 高分子物理
学习方法：性能的基本概念——物理本质—— 影响因素——性能指标的工程意义—— 指标的测试与评价
理论联系实际、重视实验
15
八、参考书目
1. 《材料性能学》王从曾主编，北京工业大学出版社，2001年 2. 《材料性能学》张帆等主编，上海交通大学出版社，2009年 3. 《高分子物理》何曼君等主编，复旦大学出版社，2001年 4. 《高分子物理》金日光等主编，化学工业出版社，2007年 5. 《高聚物的力学性能》何平笙编著，中国科学技术大学出版社，
外界作用下的综合反映 影响因素：内因（材料结构），外因（温度等） 性能测试：测试原理、设备、方法
12
六、高分子材料性能学的主要内容
• 高分子材料的常规力学性能 （6课时） • 高分子材料的高弹性与粘弹性 （5课时） • 高分子材料的断裂 （5课时） • 高分子材料的力学强度 （5课时） • 高分子材料的疲劳性能 （3课时） • 高分子材料的磨损性能 （3课时） • 高分子材料的热、电、磁、光学性能 （15课时） • 高分子材料的老化性能 （4课时）
3
2.橡胶：
天然橡胶
(聚异戊二烯)
合成橡胶
( 顺丁,丁苯,丁腈, 氯丁橡胶)
室温弹性高；形变大（可达1000%），外力去除后，能迅速恢复原状；弹性模量小， 约105~104Pa。
4
3.纤维
聚酯纤维(涤纶，如PET) 聚酰胺纤维（如尼龙，锦纶）
腈纶(PAN) 丙纶(PP) 维纶（PVA）
弹性模量较大，约109~1010Pa。 形变小，机械性能随温度变化不大
9
力学性能：材料在外加载荷作用下或载荷与环境联合作用下所表现的行为— 变形和断裂。即材料抵抗外载引起变形和断裂的能力。
八、本课程的学习方法
预备知识：材料力学、高分子材料科学基础、 高分子物理
学习方法：性能的基本概念——物理本质—— 影响因素——性能指标的工程意义—— 指标的测试与评价
理论联系实际、重视实验
15
八、参考书目
1. 《材料性能学》王从曾主编，北京工业大学出版社，2001年 2. 《材料性能学》张帆等主编，上海交通大学出版社，2009年 3. 《高分子物理》何曼君等主编，复旦大学出版社，2001年 4. 《高分子物理》金日光等主编，化学工业出版社，2007年 5. 《高聚物的力学性能》何平笙编著，中国科学技术大学出版社，
外界作用下的综合反映 影响因素：内因（材料结构），外因（温度等） 性能测试：测试原理、设备、方法
12
六、高分子材料性能学的主要内容
• 高分子材料的常规力学性能 （6课时） • 高分子材料的高弹性与粘弹性 （5课时） • 高分子材料的断裂 （5课时） • 高分子材料的力学强度 （5课时） • 高分子材料的疲劳性能 （3课时） • 高分子材料的磨损性能 （3课时） • 高分子材料的热、电、磁、光学性能 （15课时） • 高分子材料的老化性能 （4课时）
3
2.橡胶：
天然橡胶
(聚异戊二烯)
合成橡胶
( 顺丁,丁苯,丁腈, 氯丁橡胶)
室温弹性高；形变大（可达1000%），外力去除后，能迅速恢复原状；弹性模量小， 约105~104Pa。
4
3.纤维
聚酯纤维(涤纶，如PET) 聚酰胺纤维（如尼龙，锦纶）
腈纶(PAN) 丙纶(PP) 维纶（PVA）
弹性模量较大，约109~1010Pa。 形变小，机械性能随温度变化不大
9
力学性能：材料在外加载荷作用下或载荷与环境联合作用下所表现的行为— 变形和断裂。即材料抵抗外载引起变形和断裂的能力。
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（2）力学特征： 模量小，105-107Pa 形变可逆，一个松弛过程
（3）常温下处于高弹态的高聚物用作橡胶材料。 7
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
3
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
4
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 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）
均匀压缩 体积形变 压缩应变
F
F
扭转
17
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
电子万能材料试验机
18
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
19
2.2 高分子材料的力学性能
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）
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
13
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
5
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。
（3）常温下处于玻璃态的聚合物通常用作塑料。
6
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﹪
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
14
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
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
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。
10
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。
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）
8
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与摩尔平均质量有关
9
2.1 高分子材料的力学状态
形变量很大；
形变量一般～500%，可达1000%。普通金属材料的形
变量＜1％
23
2.2 高分子材料的力学性能
温度升高，弹性模量增大 ； 温度，链段运动加剧，回缩力，维持相同形变所需
的作用力 抵抗变形的能力升高。 高弹形变有时间依赖性，具有力学松弛特性
高弹形变时分子运动需要时间
形变过程有明显的热效应
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。
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
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。
PC ABS HDPE
硫化橡胶 未硫化橡胶
软PVC
齐聚物
软~硬：模量 强~弱：拉伸强度 韧~脆：断裂22能
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；
Hale Waihona Puke 橡胶: 0.2-8 MPa 钢：20000 MPa；HDPE: 200 MPa；PS:2500 MPa
Point of elastic limit 弹性极限点
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
塑性形变
Strain hardening 应变硬化
E D A D A
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。
15
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
A
A0
l0
l
F
F Dl
F
简单拉伸示意图
产生的形变-拉伸形变/相对伸长率
简单剪切示意图
剪切应力、剪切应变
16
2.2 高分子材料的力学性能
F
F
A0
一点弯曲
三点弯曲
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
11
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。
12
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。
O A
B
y
图2.4 非晶态聚合物的应力-应变曲线（玻璃态）
20
2.2 高分子材料的力学性能
21
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
弹性体：拉伸——放热 回缩——吸热
24
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
（3）常温下处于高弹态的高聚物用作橡胶材料。 7
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
3
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
4
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 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）
均匀压缩 体积形变 压缩应变
F
F
扭转
17
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
电子万能材料试验机
18
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
19
2.2 高分子材料的力学性能
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）
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
5
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。
（3）常温下处于玻璃态的聚合物通常用作塑料。
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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﹪
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
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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
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
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。
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）
8
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与摩尔平均质量有关
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2.1 高分子材料的力学状态
形变量很大；
形变量一般～500%，可达1000%。普通金属材料的形
变量＜1％
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2.2 高分子材料的力学性能
温度升高，弹性模量增大 ； 温度，链段运动加剧，回缩力，维持相同形变所需
的作用力 抵抗变形的能力升高。 高弹形变有时间依赖性，具有力学松弛特性
高弹形变时分子运动需要时间
形变过程有明显的热效应
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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2.1 高分子材料的力学状态
气态 物质的力学三态 液态
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。
PC ABS HDPE
硫化橡胶 未硫化橡胶
软PVC
齐聚物
软~硬：模量 强~弱：拉伸强度 韧~脆：断裂22能
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；
Hale Waihona Puke 橡胶: 0.2-8 MPa 钢：20000 MPa；HDPE: 200 MPa；PS:2500 MPa
Point of elastic limit 弹性极限点
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
塑性形变
Strain hardening 应变硬化
E D A D A
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。
15
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
A
A0
l0
l
F
F Dl
F
简单拉伸示意图
产生的形变-拉伸形变/相对伸长率
简单剪切示意图
剪切应力、剪切应变
16
2.2 高分子材料的力学性能
F
F
A0
一点弯曲
三点弯曲
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
11
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。
12
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。
O A
B
y
图2.4 非晶态聚合物的应力-应变曲线（玻璃态）
20
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
弹性体：拉伸——放热 回缩——吸热
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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