聚合物的力学性能
聚合物的力学性能
第八章 聚合物的力学性能
（3）内力、应力 材料在外力作用下发生形变的同时，在其内部还会产生对抗 外力的附加内力，以使材料保持原状，当外力消除后，内力 就会使材料回复原状并自行逐步消除。当外力与内力达到平 衡时，内力与外力大小相等，方向相反。单位面积上的内力 定义为应力。
2
第八章 聚合物的力学性能
（4）形变 化。 材料在外力作用下，其几何形状和尺寸所发生的变
（5）应变 在应力作用下，单位长度（面积、体积）所发生 的形变来表征。 (6) 弹性模量 是引起单位应变所需要的应力。是材料刚硬度的 一种表征。模量的倒数称为柔量，是材料容易形变程度的一种 表征，以J表示。 （7）强度 在一定条件下，材料断裂前所能忍受的最大应力， 称为强度，常用单位Pa。
强迫高弹形变产生的原因
8
聚合物的力学性能
强迫高弹形变的定义 处于玻璃态的非晶聚合物在拉伸过程中屈服点后产生的
较大应变，移去外力后形变不能回复。若将试样温度升
到其Tg附近，该形变则可完全回复，因此它在本质上仍 属高弹形变，并非粘流形变，是由高分子的链段运动所 引起的。 这种形变称为强迫高弹形变
9
3
聚合物的力学性能
8.2 聚合物的应力应变特性
材料的大形变—破坏过程 实验条件：一定拉伸速率和温度 在实验和应用中：
宽 度
厚度d
b
P
图1 Instron 5569电子万能材料试验机 （electronic material testing system）
必须标明温度和施力 速率（或形变速率）， 切勿将正常形变速率下 测得数据用于持久力作 用或冲击力作用下的场 合下；切勿将正常温度 下得到的数据用于低温 或高温下。
15
聚合物的力学性能
(
S l
)T
,V
[ l
( G T
)l,P
]T
,V
[ T
(
G l
)T
,P
]l
,V
( f T
)l ,V
(
S l
)T
,V
( f T
)l ,V
这是一个重要的转换关系，它表明恒温条 件下，随试样的单位伸长的熵变，可通过固定 伸长时拉伸力随温度变化（温度系数）得到。 它可从实验中测量。
拉伸韧性（断裂能Fracture energy）
O
d 应力-应变曲线下的面积称作断裂能
应力－应变曲线类型：
σ
a、硬而脆的材料应力-应
变曲线（脆性断裂）
主要有：低分子量的PS、 酚醛树脂、环氧树脂
ε
b、半脆性（延性）固体应力-应变曲线 先屈服后断裂-韧性断裂 如：硬PVC、PS、PMMA
σ
第六章 聚合物的力学性能
一、聚合物的力学性能的内涵
力学性能
形变性能 断裂性能
普弹 弹性
高弹
粘性 粘弹性 强度
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。
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。
泊松比
<0.5
拉伸时的比容
增加
弹性模量 Kg/cm2
104 ～2x106
升温时的E
E↓
形变速度
与应力同时产生
形变对T的依赖性
很少
本质
聚合物材料的力学性能与应用研究
聚合物材料的力学性能与应用研究聚合物是指由单体经聚合反应而成的高分子化合物，是材料科学领域中的一个重要研究方向。
聚合物由于具有优异的物理化学性质，广泛应用于各个领域中。
其中，聚合物材料的力学性能一直是研究的热点，对于实际应用有着重要的意义。
1. 聚合物材料力学性能的影响因素聚合物材料的力学性能受到多个因素的影响，包括结构、成分、加工工艺等。
其中，聚合物的结构对于其力学性能起着决定作用。
聚合物结构的一般特征主要取决于两种基础单位的组成比例和聚合反应的方式。
一种基础单位是链端上的单体——它构成了聚合物主体结构的基础；另一种是构成了链之间交联的单体——交联单体，它使聚合物成为一个三维结构，有利于提高聚合物的力学强度。
此外，分子量也是影响聚合物材料力学性能的因素之一，分子量越大，聚合物的强度、韧性和耐热性都会有所提高。
除了结构，成分也是影响聚合物材料力学性能的重要因素之一。
聚合物材料成分的差异会对聚合物的应力应变特性、刚度、弹性、热应力等产生明显影响。
例如，将不同的单体混合在一起聚合，可以得到具有不同性质的材料。
2. 聚合物材料力学性能的应用研究由于聚合物材料的力学性能十分重要，因此相关的应用研究也是不可或缺的。
目前，聚合物材料的应用范围非常广泛，主要包括以下几个方面。
（1）高分子合成高分子材料的制备是聚合物材料应用研究领域的重要方向之一。
通过合成不同类型的聚合物材料，可以得到具有不同性质的高分子材料，满足不同领域的应用需求。
例如，具有良好热稳定性和机械性能的聚酰亚胺材料被广泛应用于电子、航空、汽车等领域中。
（2）高分子复合材料高分子复合材料是应用最广泛的一种高分子材料，它是由两种或两种以上的材料组合而成，具有更加优异的物理、化学性质和机械性能。
例如，聚碳酸酯和玻璃纤维复合材料被广泛应用于汽车、航空等领域。
由于其具有优异的耐冲击性能，被用作制造车门、车顶等大型车身部件。
（3）高分子防护材料高分子防护材料是指具有优异的耐磨损、耐划伤、耐撞击、耐化学腐蚀等性能的材料。
聚合物的力学性能与分子结构
聚合物的力学性能与分子结构在我们的日常生活和众多工业领域中，聚合物材料扮演着举足轻重的角色。
从塑料制品到橡胶制品，从纤维材料到涂料胶粘剂，聚合物无处不在。
而决定这些聚合物材料性能优劣的关键因素之一，便是其力学性能与分子结构。
首先，让我们来了解一下什么是聚合物的力学性能。
简单来说，力学性能就是聚合物在受到外力作用时所表现出的特性。
这包括强度、刚度、韧性、延展性、耐磨性等等。
比如，塑料椅子需要有足够的强度来承受人的体重，汽车轮胎则需要具备良好的韧性和耐磨性。
那么，聚合物的分子结构又是如何影响这些力学性能的呢？分子结构就像是聚合物的“基因密码”，决定了它的性质。
分子链的长度是一个重要因素。
一般来说，分子链越长，聚合物的强度和粘度往往越高。
想象一下，一条长长的分子链就像一根长长的绳子，众多这样的长链交织在一起，形成了一个强大的网络，使得材料更能抵抗外力的破坏。
分子链的柔性也对力学性能有着显著影响。
柔性好的分子链能够更容易地弯曲和变形，从而使聚合物具有较好的延展性和韧性。
比如，橡胶的分子链就具有很高的柔性，所以它能够被拉伸很大的程度而不断裂。
分子链的规整度同样不容忽视。
规整度高的分子链能够更紧密地排列，分子间的相互作用力更强，从而提高聚合物的强度和刚度。
而规整度低的分子链排列较为混乱，材料的性能相对就会较差。
除了分子链本身的特性，分子间的相互作用也在很大程度上决定了聚合物的力学性能。
分子间如果存在较强的氢键、范德华力等相互作用，会使得聚合物具有更高的强度和耐热性。
此外，聚合物的交联结构也会对力学性能产生重大影响。
交联就像是在分子链之间搭建了“桥梁”，使得整个结构更加稳固。
高度交联的聚合物通常具有优异的强度和耐热性，但延展性会较差；而交联程度较低的聚合物则具有较好的延展性，但强度相对较低。
为了更直观地理解这些概念，我们以聚乙烯（PE）为例。
高密度聚乙烯（HDPE）具有较高的结晶度和规整度，分子链排列紧密，因此具有较高的强度和硬度；而低密度聚乙烯（LDPE）的结晶度和规整度较低，分子链排列较为疏松，所以它的强度和硬度相对较低，但延展性更好。
第十二章 聚合物的力学性能
12.1.3高分子的聚集态结构
聚合物内大分子间的排列构成聚集态结构。 普通物质的聚集态可分为气体、液体、固体， 但聚合物内分子很大，因而分子间作用力也大， 很容易聚集成固体或高温熔体，进一步提高温 度，聚合物便分解，不从在气体。 聚合物分为晶体和非晶体两类。无规聚合 物通常难以结晶，在实际的冷却速度下进入非 结晶的玻璃态；而规整聚合物易于结晶，只能 通过速冷，使之成为“冻结”的过冷液体而进 入玻璃态。一般情况下，规整聚合物由晶区和 非晶区混杂组成。
这一区域高分子链节的振幅加大， 键的内旋转开始，这一转变区的宽度约 5℃～20℃，松弛模量可变化几个数量级， 粘弹性的特征表现特别明显。 这一转变的特征温度是玻璃化转变 温度Tg。这一转变区也用曲线的拐点温度 Ti[E(10s)约为108N/m2处]和在该点的负 斜率－tanθ来表征，通常Ti和Tg仅相差 几度。
12.3.1
拉伸应力－应变曲线
图12－5（a）表示两种非晶态聚合物聚
氯乙稀和聚苯乙烯的拉伸应力－应变曲线，
图12－5（b）表示三种晶态聚合物聚四
氟乙烯、聚乙烯和聚三氟氯乙烯的拉伸应力－ 应变曲线。从这两张图可以见到几种变形方式： （1）聚苯乙烯是一种硬而脆的材料，具有 很高的模量和强度，断裂伸长率很低，没有明 显的屈服。
第十二章 聚合物的力学性能
12.1 聚合物的结构特点与力学状态 12.2 聚合物的时间效应和时—温等 效原理 12.3 聚合物的力学性能
聚合物具有很大的分子量，高分子化合物 的分子运动比低分子复杂，具有明显的松弛特 征，对温度的依赖性很大，聚合物的力学性能 不仅取决于分子结构，在更大程度上还取决于 这些分子排列、堆砌的聚集态结构。聚合物材 料的原料丰富，合成方便，易于加工。 近年来按人们希望的性质来设计聚合物也 取得突破性进展，使之成为结构材料。由于这 些原因，聚合物材料发展迅速，在整个使用材 料中，聚合物所占的比例正在不断增加。
聚合物材料的力学性能研究
聚合物材料的力学性能研究一、引言聚合物材料因其优异的物理性质和低成本的生产工艺在工业中被广泛使用，然而聚合物材料的力学性能成为了影响其应用范围的一个关键因素。
在工程应用中，聚合物材料必须具备一定的力学性能，例如强度、韧性、刚度等。
因此，研究聚合物材料的力学性能具有极其重要的意义。
本文将分别从强度、韧性和刚度三个方面探讨聚合物材料的力学性能研究。
二、聚合物材料的强度研究强度是指受力材料最大承受力的能力。
在聚合物材料中，强度受到化学结构、晶化程度和制备工艺等因素的影响。
其中，聚合物的化学结构对其强度性能的影响最大，因为它决定了聚合物的分子量、分子量分布和化学键的类型和数量。
此外，影响聚合物材料的强度还包括晶化程度和制备工艺等因素。
研究表明，化学结构和分子量是影响聚合物材料强度的最主要因素。
其中，分子量的大小和分子量分布的宽窄对聚合物材料的强度影响极大。
较高的分子量和较窄的分子量分布可以提高聚合物材料的强度。
而分子量过高或分子量分布过窄会导致聚合物材料的加工难度增加，从而影响其生产工艺。
此外，化学结构的差异也会对聚合物材料的强度产生不同的影响。
例如在聚乙烯和聚丙烯等同属于烯烃类聚合物材料中，不饱和度的增加会降低其强度，而在芳香族聚合物材料中，饱和度的增加反而会降低其强度。
三、聚合物材料的韧性研究韧性是指材料在受冲击载荷时形变和吸收能量的能力。
聚合物材料的韧性受到其结晶度、分子量和分子量分布等因素的影响。
研究表明，增加聚合物材料的结晶度可以提高其韧性。
这是由于高结晶度会使聚合物分子之间的相互作用变强，从而增加聚合物材料的强度和韧性。
分子量和分子量分布的影响也与强度类似，即分子量和分子量分布的增加可以提高聚合物材料的韧性，但过高的分子量和过窄的分子量分布会影响材料的加工和生产。
此外，制备工艺也对聚合物材料的韧性产生影响。
例如，在高速注塑成型中，熔融聚合物材料受到剪切力的作用，从而影响其晶化程度和结晶形态，进而影响聚合物材料的韧性。
第十章聚合物材料的力学性能
第十章聚合物材料的力学性能§10-1聚合物材料的结构与性能特点分子质量大于1万以上的有机化合物称为高分子材料，是由许多小分子聚合而成，故又称为聚合物或高聚物。
原子之间由共价键结合，称为主价键；分子之间由范德瓦尔键连接，称为次价键。
分子间次价键力之和远超过分子中原子间主价键的结合力。
拉伸时常常先发生原子键的断裂。
聚合物的小分子化合物称为单体，组成聚合物长链的基本结构单元则称为链节。
聚合物长链的重复链节数目，称为聚合度。
天然的聚合物有木材、橡胶、棉花、丝、毛发和角等。
人工合成聚合物有工程塑料、合成纤维、合成橡胶等一、聚合物的基本结构1、高分子链的构型（近程结构）由化学键所固定的几何形状--指高分子链的化学组成、键接方式和立体构型等。
见图9-1。
(图9-2)。
长支链、短支链；线型交联分子链、三维交联分子链。
由两种以上结构单体聚合而成的聚合物称为共聚物。
聚合物的结晶很难完全。
（共聚物的几种形式如图9-3。
）2、高分子链的构象（远程结构）一根巨分子长链在空间的排布形象，称为巨分子链的构象。
无规则线团链、伸展链、折叠链、螺旋链等构象(图9-5)。
3、聚合物聚集态结构聚集态结构包括晶态结构、非晶态结构及取向。
晶区与非晶区共存。
结晶度＜98％，微晶尺寸在100A左右。
非晶态结构的高分子链多呈无规则线团形态。
在外力作用下，聚合物的长链沿外力方向排列的形态称为聚合物的取向。
4、高分子材料结构特征归纳：⑴聚合物为复合物（∵各个巨分子的分子量不一定相同）；⑵聚合物有构型、构象的变化；⑶分子之间可以有各种相互排列。
二、性能特点(1)密度小； (2)高弹性； (3)弹性模量小（刚度差）；(4)粘弹性明显。
§10-2线型非晶态聚合物的变形线型非晶态聚合物是指结构上无交联、聚集态无结晶的高分子材料。
随温度不同而变化，可处于玻璃态、高弹态和粘流态三种力学状态(图9-7)tb一脆化温度 tg一玻璃化温度 tf一粘流温度图9-8为非晶态聚合物在不同温度下的应力一应变曲线。
聚合物的力学性能
为伸展，产生强迫高弹变形。
也就是在外力的作用下，非晶聚合物中本来被冻结的链段被强迫运动，
使高分子链发生伸展，产生大的形变。但由于聚合物仍处于玻璃态，当外
力移去后，链段不能再运动，形变也就得不到回复，只有当温度升至Tg附
近，使链段运动解冻，形变才能复原。
若链段运动的松弛时间与外力作用速率相适应，材料在断裂
前可发生屈服，出现强迫高弹性，表现为韧性断裂
若外力作用时间越短，链段的松弛跟不上外力作用速率，为
使材料屈服需要更大的外力，材料的屈服强度提高，材料在断裂
前不发生屈服，表现为脆性断裂
所以，降低温度与提高外力作用速率有同样的效果，
这是时-温等效原理在高分子力学行为中的体现。
的冷拉，由于局部的高度拉伸应变（1000％），造成了很大的横
向收缩，这种局部的收缩要大于材料整体的横向收缩，结果在局
部性的取向链束或片层间形成一定的空的体积，并在表面上出现
凹槽。也可以发生在材料内部形成内银纹。
精选课件
27
第八章 聚合物的力学性能
3.产生银纹的结果：
①银纹可发展成裂缝，使材料的使用性能降低。
强
度
B
＝A ，断裂强度
Mn
分子量
精选课件
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第八章 聚合物的力学性能
②取向与结晶的影响
结晶度增加，强度增加韧性下降以PE为例。
聚乙烯强度与结晶度的关系
性形变(plastic deformation )（强迫高弹形变）、应变硬化四
个阶段
精选课件
11
第八章 聚合物的力学性能
σ
B
Y
σ
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4.几种常用的力学性能指标 （1）拉伸强度
（2）弯曲强度
在规定试验条件下，对标准样品施加静弯曲 力矩，直到试样断裂为止，取实验过程中的 最大载荷，并按下式计算弯曲强度（三点弯 曲）。
（3）冲击强度
表征材料韧性，表示抵抗冲击载荷破坏的能 力。
（4）硬度 衡量材料表面抵抗机械压力的能力。 与材料的抗张强度和弹性模量有关。 硬度试验方法很多，加荷方式有动载荷和静 载荷法两类。 有布氏、洛氏等名称。
d b
l0/2
l0/2
抗弯强度测定试验示意图
设试验过程中最大的负荷为P，则抗弯强度f为： f = 1.5Pl0 / bd2
（iii）冲击强度（impact stength)（i）
冲击强度也称抗冲强度, 定义为试样受冲击负 荷时单位截面积所吸收的能量。是衡量材料韧性的一 种指标。测定时基本方法与抗弯强度测定相似，但其 作用力是运动的，不是静止的。
（2）简单剪切
3.模量与柔量 （1）模量
对于理想的弹性固体，应力与应变的关系服 从胡克定律，既应力与应变成正比，比例常 数称为弹性模量，简称模量。
（2）柔量 有时，用模量的倒数比用模量来的方便。
定义模量的倒数为柔量，柔量越大，越容易 变形。
3.泊松比
在拉伸试验中，材料横向单位宽度的减小与 纵向单位长度的增加之比值。用v表示：
均匀压缩
P
体积模量： B (Kg) P ―流体静压力 ΔV ―体积变化 V0 ―原始体积
PV0 B V
三种应变模量的关系
对于各向同性的材料有
E = 2G (1+ν) = 3B (1-2 ν) ν(泊松比):横向形变与纵向形变之比
m
横向形变 m0 t 纵向形变 0
第一节：玻璃态和结晶态高聚物的力学性质
§1-1 描述力学性质的基本物理量
1、应力、应变 应力:单位面积上的附加内力（常见单位： 牛顿/米2，帕斯卡等） 应变：材料受外力时（不产生惯性移动时）， 几何形状和尺寸发生的变化
三种基本的应变类型 简单拉伸 简单剪切
F F F
均匀压缩
P
此时讨论的为各向同性材料
简单拉伸
F
F 0
F
杨氏模量 E (MPa) σ -拉伸应力 ε -拉伸应变 F-拉伸力 AO-试样原始截面积 LO-试样原始长度 Δ L-伸长长度
'
A0 E L
F A
L0
真实应力
简单剪切
F
F
剪切模量:G (MPa) s ―剪切应力 γ ―剪切应变 = tg θ S F G A 0 tg
衡量材料抵抗拉伸破坏的能力，也称拉伸强度。
P
在规定试验温度、湿度和 实验速度下，在标准试样上 沿轴向施加拉伸负荷，直至 试样被拉断。
宽度b
厚度d
P
试样断裂前所受的最大负荷P与试样横截面积之比 为抗张强度t： t = P / b • d
（ii）抗弯强度
也称挠曲强度或弯曲强度。抗弯强度的测定是在 规定的试验条件下，对标准试样施加一静止弯曲力矩， P 直至试样断裂。
聚合物的力学性能
描述力学性能的基本物理量
1.应力与应变 （1）应变
材料在外力作用下，发生的几何形状和尺寸 的变化。
（2）应力
材料发生宏观变形时，产生附加内力以抵抗 外力。 定义单位面积上的附加内力为应力。 平衡时，其值与单位面积上所受的外力相等。
2.三种不同变形模式下的应力与应变 （1）简单拉伸
t 0
一般材料ν约为0.2~0.5 注意!上述四个参数中只有两个是独立的
§1-2 常用的几种力学强度
当材料所受的外力超过材料的承受能力时， 材料就发生破坏。机械强度是衡量材料抵抗外力 破坏的能力，是指在一定条件下材料所能承受的 最大应力。 根据外力作用方式不同，主要有以下三种：
（i）抗张强度
P
冲击头，以一定速度对试样 实施冲击
d b
l0/2
l0/2
试样断裂时吸收 的能量等于断裂时 冲击头所做的功W， 因此冲击强度为： i = W / bd
冲击强度测定试验示意图