聚合物(高分子材料)的力学性能
高分子物理高分子的力学性能
高分子物理高分子的力学性能引言高分子是由大量重复单元组成的长链聚合物，具有广泛的应用领域。
高分子材料的力学性能是评估其性能和应用范围的重要指标之一。
本文将重点介绍高分子物理高分子的力学性能，包括拉伸性能、弯曲性能和压缩性能。
拉伸性能拉伸性能是衡量高分子材料抵抗拉伸变形的能力。
引伸模量是评估高分子材料刚度的指标，反映了材料在受力下沿着拉伸方向的抗弯刚度。
拉伸模量越大，材料刚度越高，说明材料越难被拉伸变形。
另一个重要的指标是断裂伸长率，即材料在断裂前所能延伸的长度与原始长度之比。
断裂伸长率越大，材料的延展性越好，能够在受力下更好地承受高应变。
弯曲性能弯曲性能是评估高分子材料在受力下的弯曲变形能力。
弯曲模量是衡量材料刚度和弯曲抗弯能力的指标，它反映了材料在弯曲过程中所需的力和弯曲程度之间的关系。
弯曲模量越大，材料的刚度越好，弯曲变形能力越低。
另一个重要的指标是弯曲强度，即材料在抵抗内部应力下断裂弯曲的能力。
弯曲强度越高，材料越能够承受弯曲应力而不断裂。
压缩性能压缩性能是评估高分子材料在受力下的抗压能力。
压缩模量是衡量材料在受压过程中抗弯刚度的指标，它反映了材料在压缩过程中所需的力和压缩程度之间的关系。
压缩模量越大，材料的刚度越高，抗压变形能力越低。
另一个重要的指标是压缩强度，即材料在抵抗内部应力下断裂压缩的能力。
压缩强度越高，材料越能够承受压缩应力而不断裂。
影响高分子材料力学性能的因素高分子材料的力学性能受多种因素影响。
其中，聚合度是一个重要的因素，即聚合物链的长度。
聚合度越高，链段之间的力学相互作用越多，因此材料的力学性能越好。
另一个重要因素是材料的结晶度。
高结晶度的材料通常具有更好的力学性能，因为结晶区域可以提供更多的强度和刚度。
此外，材料的处理方式和加工工艺也会对力学性能产生影响。
高分子物理高分子的力学性能是评估其应用潜力和性能表现的关键指标。
拉伸性能、弯曲性能和压缩性能是评估高分子材料力学性能的重要指标。
高分子材料性能测试力学性能
3.1.2 高分子经典应力－应变曲线 I
3.1 拉伸性能
(c)旳特点是硬而强。拉伸强度和弹性模量大，且有合适旳伸长率，如硬聚氯乙烯等。(d)旳特点是软而韧。断裂伸长率大，拉伸强度也较高，但弹性模量低，如天然橡胶、顺丁橡胶等。
3.1 拉伸性能
3.1.2 高分子经典应力－应变曲线 III
(e)旳特点是硬而韧。弹性模量大、拉伸强度和断裂伸长率也大，如聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙等
塑性(Plasticity)：外力作用下，材料发生不可逆旳永久性变形而不破坏旳能力。
Mechanical properties of materials
应 力
应 变
Mechanical properties of materials
3.1 拉伸性能
3.1.1 应力－应变曲线
Байду номын сангаас
高分子应力-应变过程
3.1 拉伸性能
电子万能试验机
3.1 拉伸性能
3.1 拉伸性能
3.1.5 拉伸性能测试原理 拉伸试验是对试样延期纵轴方向施加静态拉伸负荷，使其破坏，经过测量试样旳屈服力、破坏力和试样标距间旳伸长来求得试样旳屈服强度拉伸强度和伸长率。
3.1 拉伸性能
3.1.6 测量方法即实验环节 ①试样旳状态调节和试验环境按国家原则规定。②在试样中间平行部分做标线，示明标距。③测量试样中间平行部分旳厚度和宽度，精确到0.01mm，II型试样中间平行部分旳宽度，精确到0.05mm，测3点，取算术平均值。④夹具夹持试样时，要使试样纵轴与上下夹具中心连线重合，且松紧适宜。⑤选定试验速度，进行试验。⑥记录屈服时负荷，或断裂负荷及标距间伸长。试样断裂在中间平行部分之外时，此试样作废，另取试样补做。
高分子材料的物理化学性质
（6）增塑：增塑剂的加入可使材料强度降低，只适于对 弹性、韧性的要求远甚于强度的软塑料制品。
（7）外界因素：温度、外力作用速度和作用时间对强度 都有影响。
（三）粘弹性
高聚物力学性质随时间而变化的现象称为力学松弛或粘 弹现象 静态粘弹性 蠕变、应力松弛 粘弹性分类 动态粘弹性 滞后、内耗
1、蠕变
在恒温下施加较小的恒定外力时，材料的形变随时间而 逐渐增大的力学松弛现象。如挂东西的塑料绳慢慢变长。
• 这种由于力学滞后而使机械功转换成热的现象，称 为内耗。
• 相关应用
• 对于作轮胎的橡胶，则希望它有最小的力学损耗 才好 • 对于作为防震材料，要求在常温附近有较大的力 学损耗（吸收振动能并转化为热能） • 对于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（当然也不能内耗太大，否则发 热过多，材料易于热态化）
（4）应力集中：若材料中存在某些缺陷，受力时，缺陷附 近局部范围内的应力会急剧增加，称为应力集中。应力集中 首先使其附近的高分子链断裂和相对位移，然后应力再向其 它部位传递。
（5）惰性填料：有时为了降低成本，在聚合物中加入一 些只起稀释作用的惰性填料，如在聚合物中加入粉状碳 酸钙。惰性填料往往使聚合物材料的强度降低。
F
F
均匀压缩
体积改变而形状不变
A0
弹性模量
是指在弹性形变范围内单位应变所需应力的 大小。是材料刚性的一种表征。分别对应于以上 三种材料受力和形变的基本类型的模量如下： 拉伸模量（杨氏模量）E：E = /
剪切模量（刚性模量）G：G = s /
体积模量（本体模量）B：B = p /
影响粘合强度的因素：
1.分子量：中等分子量
2.表面粗糙度：粗糙表面提高粘合强度
高分子物理——第六章 聚合物的力学性能
二、橡胶弹性的统计理论
热力学分析只能给出宏观物理量之间的关 系，利用统计理论，可以通过微观的结构参数， 求得高分子熵值的定量表达式，进而导出熵变与 宏观的应力—应变关系。
研究步骤： 1）运用构象统计计算形变时单个柔性链的构象熵 2）运用构象统计计算形变时网络链的熵变 3）获得交联网络的状态方程 4）与试验结果比较，进行评价
第六章
聚合物的力学性能
一、聚合物的力学性能的内涵
普弹
弹性 高弹 形变性能 粘性 粘弹性 强度 断裂性能 韧性 固体高分子材料的力 学性能，也就是研究 受力后，它的尺寸稳 定性和强度问题，或 者说是形变的特征和 破坏的规律问题。
力学性能
研究力学性能有两个相关的目的。 1、获得描述聚合物力学行为的数据和一般规律。 2、深入了解力学性能与分子结构的内在联系。
ζ
大球晶 小球晶
ε
ζ
高结晶度
低结晶度
ε
第二节：高弹态聚合物的力学性质
橡胶材料是重要的高分子材料之一，在Tg以上， 处于聚合物特有的高弹性力学状态。高弹性无疑是 这类材料显著的特征或说独特的性质，是材料中一 项十分难得的可贵性能，被广泛用于各个领域，其 作用是不可替代的。
橡胶的分子结构和高弹性的本质长期以来一直 受到人们的注视和研究；提高橡胶的耐寒性和耐热 性即扩大橡胶的使用范围，成了人们新的课题。
u ( )T ,V 0, l
f S f T( )l , p T ( )T ,V T l
说明理想弹性体被拉伸时内能几乎不变，主要 引起熵的变化。橡胶弹性完全是由拉伸时熵的减少
而引起的。故高弹性又称熵弹性。即高弹形变的本
质是熵变。 拉伸时熵值由大→小，终态是一种不稳定体系， 故拉伸后的橡皮于外力除去后会自发地回复到初态， 这就说明了高弹形变是可回复的，表现出高弹性。
高分子材料力学性能
高分子材料力学性能姓名：程小林学号：5701109004 班级：高分子091 学院：材料学院研究背景：在世界范围内, 高分子材料的制品属於最年轻的材料．它不仅遍及各个工业领域, 而且已进入所有的家庭, 其产量已有超过金属材料的趋势，將是2 1世纪最活跃的材料支柱.高分子材料在我们身边随处可见。
在我们的认识中，高分子材料是以高分子化合物为基础的材料。
高分子材料按特性分为橡胶、纤维、塑料、高分子胶粘剂、高分子涂料和高分子基复合材料。
今天，我想就高分子材料为主线，简单研究一下高分子材料所具有的一些方面的力学性能。
从我们以前学过的化学知识中可以知道，高分子材料其实是有机化合物, 有机化合物是碳元素的化合物．除碳原子外, 其他元素主要是氢、氧、氮等．碳原子与碳原子之间, 碳原子与其他元素的原子之间, 能形成稳定的结构．碳原子是四价, 每个一价的价键可以和一个氢原子键连接, 所以可形成为数众多的、具有不同结构的有机化合物．有机化合物的总数已接近千万种, 远远超过其他元素的化合物的总和, 而且新的有机化合物还不断地被合成出來．這样, 由於不同的特殊结构的形成, 使有机化合物具有很独特的功能．高分子中可以把某些有机物结构（又称为功能团）替换, 以改变高分子的特性．高分子具有巨大的分子量，达到至少1 万以上，或几百万至千万以上所以, 人們將其称为高分子、大分子或高聚物．高分子材料包括三大合成材料, 即塑料、合成纤维和合成橡胶研究理论：高分子材料的使用性能包括物理、化学、力学等性能。
对于用于工程中作为构件和零件的结构高分子材料，人们最关心的是它的力学性能。
力学性能也称为机械性能。
任何材料受力后都要产生变形，变形到一定程度即发生断裂。
这种在外载作用下材料所表现的变形与断裂的行为叫力学行为，它是由材料内部的物质结构决定的，是材料固有的属性。
同时, 环境如温度、介质和加载速率对于高分子材料的力学行为有很大的影响。
因此高分子材料的力学行为是外加载荷与环境因素共同作用的结果。
高分子材料性能
高分子材料性能高分子材料是由长链聚合物分子组成的一类材料。
它们具有很多出色的性能，使其成为现代工业中广泛应用的材料之一。
首先，高分子材料具有卓越的力学性能。
由于高分子材料的长链结构，其分子可以互相连接形成三维网络结构，在外力作用下，分子可以发生移动和变形，从而使材料具有较高的韧性。
此外，高分子材料还具有较低的密度，可以在轻负荷下承受较大的拉伸和压缩力，使其成为制造轻量化产品的理想选择。
其次，高分子材料具有良好的化学稳定性。
由于高分子材料中的分子间键强度较低，不易受到化学物质的侵蚀，因此具有较高的化学稳定性。
这使得高分子材料可以在各种恶劣的环境中使用，不易被腐蚀和氧化，从而提高材料的使用寿命。
此外，高分子材料还具有良好的电绝缘性能。
高分子材料中的聚合物分子通常是非极性物质，其分子间没有明显的电荷分布差异。
这使得高分子材料具有较高的介电常数和较低的电导率，从而使其成为制造电缆绝缘层、电子元件外壳等电器材料的好选择。
另外，高分子材料还具有良好的耐热性和耐低温性。
高分子材料的分子链结构较长，分子间的键强度较高，因此能够承受较高的温度。
一些特殊的高分子材料甚至可以在几百摄氏度的高温下仍然保持稳定。
同时，高分子材料的分子间距离较大，分子之间的运动相对较为自由，使其在低温下仍然能够保持较高的柔韧性和可塑性，不易产生脆性断裂。
最后，高分子材料还具有较好的加工性能。
由于高分子材料通常是可熔融的，可以通过注塑、挤出和压缩等加工方法进行成型。
此外，高分子材料具有较高的可溶性，可以与其他物质进行混合加工，从而改善材料的性能。
这使得高分子材料在工业生产中能够实现大规模、高效率的生产。
综上所述，高分子材料具有卓越的力学性能、良好的化学稳定性、优良的电绝缘性能、出色的耐热耐低温性和良好的加工性能等优势。
这些性能使得高分子材料在各个领域有着广泛的应用，如汽车工业、电子工业、航天航空工业等。
随着科学技术的进步，高分子材料在材料领域的应用前景将会更加广阔。
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。
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几何因素决定细颈产生的位置： 试样尺寸在各处的微小差异，导致应力
的差异，在某一点将首先达到屈服点，使形 变更为容易。
工程应力和真应力 Engineering stress and true stress
Engineering stress
晶态聚合物“冷拉”的原因： •晶态：Tm以下，发生结晶的破坏， 取向，再结晶过程，与温度、应 变速率、结晶度、结晶形态有关。 •非晶态：Tg以下冷拉，只发生分 子链的取向
结晶聚合物应力－应变曲线
非晶态聚合物与结晶聚合物的拉伸比较
相似之处：两种拉伸过程均经历弹性变形、屈服、发展大形
变以及应变硬化等阶段，其中大形变在室温时都不能自发回 复，而加热后则产生回复，故本质上两种拉伸过程造成的大 形变都是高弹形变。该现象通常称为“冷拉”。
第十一章 聚合物的力学性能
主要学习内容
高分子材料的 拉伸应力-应变特性
应力－应变曲线及其类型 影响拉伸行为的外部因素 强迫高弹形变与“冷拉伸”
高分子材料的 断裂和强度
宏观断裂方式，脆性断裂和韧性断裂 断裂过程，断裂的分子理论 高分子材料的强度
高分子材料的增强改性
高分子材料的 抗冲击强度和增韧改性
抗冲击强度实验 影响抗冲击强度的因素 高分子材料的增韧改性
11.1应力－应变曲线 测试拉伸性质的样品
(a)
(b)
§ 11.1.1 非晶态高聚物的应力-应变曲线
σ B
Y
σB σy
0
εB
ε
非晶态高聚物的应力-应变曲线
应力-应变曲线
A point: Point of elastic limit 弹性极限点
Y point: Yielding point 屈服点
4
2
0
注意细颈
0
1
2
3
4
5
现象
, inch
非晶态聚合物典型应力-应变曲线
Stress
Elongation at yield
Elongation at break
重要参数： (1)杨氏模量 (2)屈服强度
Yield stress
Ultimate (3)屈服应变
Strength
(4)断裂强度 (5)断裂伸长率
Strain
(6)断裂韧性
以应力应变曲线测定的韧性
d 量纲=Pam/m=N/m2 m/m= J/m3
影响应力－应变曲线的因素
T
(a) 不同温度
T
Temperature
a: T<<Tg b: T<Tg
c: T<Tg (几十度) d: T接近Tg
Example-PVC
0°C 0-50°C
e
F A0
True stress
true
F A
Force Initial cross-section area Force Cross-section area
应变软化更明显， 冷拉时晶片倾斜、 滑移、转动，形成 微晶或微纤束。
(e) The Size of Spherulites 球晶大 小
(f) The Degree of Crystallization 结晶 度
§11.1.2 晶态聚合物的应力一应变曲线
整个曲线可分为三个阶段： 到y点后，试样截面开始变得不均匀，出现 “细颈”。
50-70°C 70°C
Results
脆性断裂 屈服后断裂
韧性断裂 无屈服
30
M1
25
P173
20
Yield stress(MPa)
15
10
5 20
40
60
80
Temperature(oC)
100
120
屈服应力与测试温度的关系曲线
（b）应变速率
(1)
(3)
应变速率
(2)
(4) 1＞2＞3＞4
应力
E A A
B point:
Breaking point 断裂点
A 弹性极限应变 A弹性极限应力 B 断裂伸长率 B断裂强度 Y 屈服应力
从分子运动机理解释形变过程
你能解 释吗？
弹性形变 断裂
屈服
应变硬化
应变软化 冷拉
12
10
1psi
8
= 6890Pa
6
, 1000 psi
区别：（1）产生冷拉的温度范围不同，非晶态聚合物的冷
拉温度区间是Tb到Tg，而结晶聚合物则为Tg至Tm。 （2）非晶态聚合物在冷拉过程中聚集态结构的变化比晶态聚 合物简单得多，它只发生分子链的取向，并不发生相变，而 后者尚包含有结晶的破坏，取向和再结晶等过程。
§ 11.1.3 应力一应变曲线类型
聚合物应力－应变类型
屈 取向。 服 •高聚物在屈服点的应变相当大，剪切屈服应变为10%－ 主 20%（与金属相比）。
•屈服点以后，大多数高聚物呈现应变软化，有些还非常
要 迅速。 特 •屈服应力对应变速率和温度都敏感。 征 •屈服发生时，拉伸样条表面产生“银纹”或“剪切带”,
继
而整个样条局部出现“细颈”。
Strain softening 应变软化
“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，有时可 将断裂功作为“韧性”的 标志。
11.2 聚合物的屈服
•高聚物屈服点前形变是完全可以回复的，屈服点后高聚
物将在恒应力下“塑性流动”，即链段沿外力方向开始
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。
11.2.1 细颈
本质：剪切力作用下发生塑性流动 A0
F
F
F
F
Fn
FABiblioteka FαFs正应力
0
F A0
斜截面面积 A A0 sin
法向力 Fn＝F·sinα
切向力 Fs＝F·cosα
法应力： n
Fn A
0
sin 2
切应力： S
FS A
0
sin cos
1 2
0
sin
2
∴当α＝90°时，法向应力最大； α＝45°或135°，切向应力最大
应变
Example: PMMA
(c) 不同的化学结构
a: 脆性材料 b: 半脆性材料 c: 韧性材料 d: 橡胶
酚醛或环氧树脂 PS, PMMA PP, PE, PC Nature rubber, PIB
(d) Crystallization 结晶
与非晶态聚 合物的拉伸 机理相同吗？
结晶聚合物应力－应变曲线