第4章 高分子材料的强度
第4章生物大分子与合成高分子(知识清单)高二化学必备单元知识清单与测试(沪科版2020选择性必修3)
第四章 生物大分子与合成高分子【单元知识框架】 【单元知识清单】考点1 糖类糖类【糖类的结构和组成】 一、 糖类的结构：分子中含有多个羟基、醛基的多羟基醛，以及水解后能生成多羟基醛的由C 、H 、O 组成的有机物．糖类根据其能否水解以及水解产物的多少，可分为单糖、二糖和多糖等． 二、糖类的组成：糖类的通式为C n (H 2O)m ，对此通式，要注意掌握以下两点：①该通式只能说明糖类是由C 、H 、O 三种元素组成的，并不能反映糖类的结构； ②少数属于糖类的物质不一定符合此通式，如鼠李糖的分子式为C 6H 12O 5；反之，符合这一通式的有机物不一定属于糖类，如甲醛CH 2O 、乙酸C 2H 4O 2等． 1、葡萄糖和果糖单糖的典型代表 （1）葡萄糖①分子式C 6H 12O 6②结构简式CH 2OH —(CHOH)4—CHO ③④结构特点：属多羟基醛。
含有羟基（—OH ）、醛基（—CHO ）两种官能团 ⑤性质：通常为无色晶体，有甜味，易溶于水，广泛存在于各种水果中。
A 、还原性，具有醛类性质a.银镜反应：与银氨溶液水浴加热产生光亮的银镜（制镜、生产热水瓶胆）b.与新制氢氧化铜悬浊液加热产生红色沉淀（应用于检查糖尿病） 2NaOH+CuSO 4 → Cu(OH)2↓+Na 2SO 4 (NaOH 过量)CH 2OH(CHOH)4CHO+2Cu(OH)2 CH 2OH(CHOH)4COOH+Cu 2O ↓+2H 2O B 、加成反应：加氢时还原为六元醇C 、具有醇羟基，能起酯化反应D 、发酵生成酒精 C 6H 12O 6 2CH 3CH 2OH+2CO 2↑E 、生理氧化：C 6H 12O 6+6O 2→6CO 2+6H 2O+热 为生命活动提供能量⑥制法：淀粉水解 ⑦用途：a 、是一种重要的营养物质，它在人体组织中进行氧化反应，放出热量，以供维持人体生命活动所需要的能量；b 、用于制镜业、糖果制造业；c 、用于医药工业．体弱多病和血糖过低的患者可通过静脉注射葡萄糖溶液的方式来迅速补充营养．−→−∆−−→−酒化酶（2）果糖分子式：C6H12O6,无色晶体，比葡萄糖甜，存在于多种水果中，与葡萄糖互为同分异构体。
高分子材料强度的主要因素
高分子材料强度的主要因素
高分子材料的强度受多种因素影响，其中一些主要因素包括：
1. 分子量：高分子材料的分子量通常与其强度相关。
较高的分子量通常意味着更多的链段和相互作用，从而提高了材料的强度。
2. 结晶度：高分子材料的结晶度指的是其分子链的有序排列程度。
较高的结晶度通常会增加材料的强度，因为有序排列的链段提供了更多的相互作用和支撑。
3. 化学结构：高分子材料的化学结构对其强度起着至关重要的作用。
例如，一些聚合物可能具有更强的分子间相互作用，从而提高了其强度。
另外，共聚物和共混物等复合材料也可以通过调节化学结构来实现更好的强度性能。
4. 结晶形态：高分子材料的结晶形态，如晶体大小和形状，也会影响其强度。
具有更大、更规则的晶体结构通常会提高材料的强度。
5. 添加剂：通过添加填料、增韧剂、稳定剂等添加剂，可以改善高分子材料的强度性能。
例如，玻璃纤维、碳纳米管等填料可以增强高分子复合材料的强度。
6. 加工工艺：加工工艺对高分子材料的强度也有重要影响。
不同的加工方法，如挤出、注塑、压延等，会影响分子链的排列方式和材料内部结构，进而影响材料的强度性能。
7. 温度和湿度：环境条件对高分子材料的强度也有一定影响。
温度和湿度的变化可能会导致材料结构的改变，进而影响其强度。
高分子材料的结构及其性能PPT(36张)
B、高弹性 随着温度的升高，当T＞Tg 时，分子的动能增加，使链段的自由旋转成为可能，此时，试
样的形变明显增加，在这一区域中，试样变成柔软的弹性体，称为高弹态。 高弹态时，弹性模量显著降低，外力去除后，变形量可以回复，有明显的时间依赖性。由
如图16-7，在间同立构高聚物中， 原子或原子团会交替分布在主链两侧； 在全同立构高聚物中，原子或原子团 则全部排列在主链同一侧；而在无规立构高聚物中，主链两侧原子分布是随机的。
这种化学成分相同，但由于不对称取代基沿分子主链分布不同的现象，就叫做 高分子的立体异构现象。
2、大分子链的构象及柔性 高聚物结构单元是通过共价键重复连接形成线型大分子，共价键的特点是键能
2、单体 高分子化合物是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。所以我们经 常说，高分子化合物是由单体 合成的，单体是高分子化合物 的合成原料。如图16-2，聚乙 烯是由乙烯（CH2＝CH2）单 体聚合而成的。 高分子化合物的相对分子质 量很大，主要呈长链形，因此 常称作大分子链或者分子链。 大分子链极长，可达几百纳米以上，而截面一般小于1nm。
物，简称高聚物材料，是以高分子化合物为主要组分的有机 材料，可分为天然高分子材料和人工合成高分子材料两大类。 天然高分子材料包括如蚕丝、羊毛、纤维素、油脂、天然橡 胶、淀粉和蛋白质等。 人工合成高分子材料包括如塑料、合成橡胶、胶粘剂和涂料 等。工程上使用的主要是人工合成的高分子材料。
一、高聚物的基本概念 1、高聚物和低聚物 高分子化合物是指相对分子质量很大的化合物，其相对分子质量在5000
材料与社会综合复习题
第二章金属材料1、最早使用的青铜主要是Cu-Pb合金（X）2、火箭发动机壳体选用超高强度钢制造，总是发生脆断，所以应该选用强度更高的钢材。
（X）3、作为轴材料，几乎都选用金属材料。
（X）4、铝在大气中有良好的抗腐蚀性是由于铝不易与氧结合的缘故。
（X）5、青铜系指除锌为主加元素以外的铜合金。
6、与纯铜、黄铜相比，锡青铜在大气、淡水、海水等介质中具有更好的抗蚀性。
7、铍青铜是目前强度最高的铜合金8生锈是腐蚀的副产物。
9、青铜最早出现在西亚两河流域。
10、铁、铬、锰属于黑色金属。
11、含碳量小于2.11%的铁碳合金称为钢12、地壳中居各金属元素含量之首的是铝13、导电性最好的金属是银14、导电性第二的金属是铜15、在一些受力不大或无润滑条件下工作的齿轮，可选用尼龙、聚碳酸脂等塑料来制造。
16、金属化合物一定具有金属性质17、黄铜、青铜和白铜的分类是根据主加元素。
18、纯铁铁丝在室温下反复弯折，将越弯越硬19、黄铜是以锌为主要添加元素的铜合金。
20、纯铝具有较高的强度和塑性，宜用于制造承受较重载荷的零件。
（X）21、材料是人类用来制造产品的物质，但是人类产生前业已存在。
（X）第一章绪论1材料的四要素：性质和现象、使用性能、合成和加工、？2、材料必须具备的要点：一定的组成和配比、成型加工和形状保持性、经济性3、电视机的外壳通常用玻璃纤维复合材料制造。
4、工程材料一般可以分为：金属、陶瓷、高分子材料、复合材料等四大类。
5、我国河南商遗址出土的司母鼎重875公斤，是世界上最古老的大型青铜器。
6、我国东汉制造了瓷器。
7、环境材料同时具有满意的使用性能和环境的协调性，环境协调性是指：对资源和能源的消耗少，对环境污染少8材料发展史上第一次重大突破，是人类学会用粘土烧结制成容器。
9、新石器时代开始于1万年前，其标志是：打制的石器更加精美、陶和玉器工艺品的出现、用石头和砖瓦做建筑材料。
10、陶（不是陶瓷）是人类第一个人制成的合成材料。
第四章第一讲材料科学与工程基础(顾宜
幻灯片20
(1)纯弹性型
A陶瓷、岩石、大多数玻璃
B高度交联的聚合物
C以及一些低温下的金属材料。
(2)弹性-均匀塑性型
A许多金属及合金、
B部分陶瓷
C非晶态高聚物。
(3)弹性-不均匀塑性型
A低温和高应变速率下的面心立方金属，
B某些含碳原子的体心立方铁合金
C以及铝合金低溶质固溶体。
K=σ/(ΔV/V)=6.89Mpa/[1-0.9883]=193.7Mpa
E=σ/ε=516.8Kpa/2.1%=24.6Mpa
ν=0.5(1-E/3K)=0.48
幻灯片36
金属晶体、离子晶体、共价晶体等的变形通常表现为普弹性，主要的特点是：
A应变在应力作用下瞬时产生，
B应力去除后瞬时消失，
C服从虎克定律。
比例极限
弹性变形时应力与应变严格成正比关系的上限应力
p = F p / S 0
条件比例极限
tan’/tan=150%
p50
代表材料对极微量塑性变形的抗力
切线
幻灯片45
（条件）弹性极限最大弹性变形时的应力值。
弹性比功弹性应变能密度。材料吸收变形功而又不发生
永久变形的能力W=/2=2/2E
残留变形时的应力
高分子材料通常表现为高弹性和粘弹性
幻灯片37
幻灯片38
2.有机聚合物的弹性、粘弹性
Elasticity and Visco-elasticity of Polymers
⑴高弹性，即橡胶弹性(rubberlike elasticity)
①弹性模量小、形变大。
A一般材料，如铜、钢等，形
变量最大为1左右，
清华大学工程材料第五版第四章
二、按使用范围分类
1. 通用塑料 应用范围广、生产量大的塑料品种。 聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚烯烃、酚醛塑料 2. 工程塑料 和氨基塑料等，产量约占塑料总产量的四分之 综合工程性能(机械性能、耐热耐寒性能、 三以上。 耐蚀性和绝缘性能等)良好的各种塑料。
如聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯和 ABS等。 3. 耐热塑料 能在较高温度（100 ℃～200 ℃）工作。 聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、有机硅树 脂、环氧树脂等。
七、氨纶 化学名称为聚氨酯纤维，商品名称为氨纶。 由聚酯、芳香族二异氰酸酯聚合，用脂肪族二 胺交联而成。 1、特点 ●高弹性。伸长600%～750%时，回弹率达 95％以上。 2、应用 用作运动衣、游泳衣。与涤纶混纺后，制 作夏季衣服。
4.3
合成橡胶
橡胶 具有极高弹性的高分子材料。
●性能特点 弹性变形量可达100％～1000％，而且回 弹性好，回弹速度快。 橡胶还有一定的耐磨性，很好的绝缘性和 不透气、不透水性。
聚酰胺的应用： 制造耐磨耐蚀零件，如轴承、齿轮、
尼龙轴套
尼龙拉杆
7. 聚碳酸酯(PC) 聚碳酸酯誉称"透明金属"， ●具有优良的综合性能。冲击韧性和延 性突出，在热塑性塑料中是最好的；弹性模 量较高，不受温度的影响； ●抗蠕变性能好，尺寸稳定性高； ●透明度高，可染成各种颜色； ●吸水性小； ●绝缘性能优良，在10 ℃～130 ℃间介 电常数和介质损耗近于不变。
有机玻璃顶棚
二、热固性塑料 1. 酚醛塑料(PE) 由酚类和醛类缩聚合成酚醛树脂,再加入 添加剂而制得。一般为热固性塑料。 ●具有一定的机械强度和硬度, 耐磨性好； ●绝缘性良好, 耐热性较高，耐蚀性优良。 ●缺点是性脆，不耐碱。
酚醛塑料的应用：
高分子物理第四章 聚合物的分子量与分子量分布
分子量分布宽度
第四章
聚合物的分子量与分子量分布
分子量分布宽度
分布宽度指数
n M Mn
2
2
n
Mw Mn 1 M n
2
w M Mw
2
M
2 n
2 w
Mz 1 M w
Mw
Mn
Mz
Mw
通过实验分别测定若 干不同浓度溶液的渗 透压π，用π/c对c作图 将得到一条直线，直 线的截距可以求得分 子量 M ，斜率可以求 得A2
第四章
聚合物的分子量与分子量分布
例
某种聚合物溶解于两种溶剂 A和B中，渗透压π和浓度c的关系
如图所示： （1）当浓度c→0时，从纵轴上的截距能得到什么？ （2）从曲线A的初始直线段的斜率能得到什么？ （3）B是良溶剂还是劣溶剂？
w
i
i
1
mi ni M i
分子量的 离散分布
第四章
聚合物的分子量与分子量分布
聚合物的分子量
间断函数变为连续函数，则得到
分子量的 微分分布
第四章
聚合物的分子量与分子量分布
聚合物的分子量
聚合物分子量积分分布函数
分子量的 积分分布
第四章
聚合物的分子量与分子量分布
聚合物的分子量
微分分布函数与积分分布函数之间的关系
大粒子Zimm图
第四章
聚合物的分子量与分子量分布
聚合物分子量的测定方法
粘度法－粘均分子量
液体在流动时，在其分子间产生内摩擦的性质，称为液体的黏 性，粘度是表征液体流动时受内摩擦的大小。 高分子的 分子量影响 其在溶液中 的形态，进 而会影响其 溶液粘度。 第四章 聚合物的分子量与分子量分布
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
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2x
th
2x
材料的本征破裂能 G0
G0
2
0
th
sin
2x
dx
th
只有次价键的断裂，则
G0 2
高分子材料性能学
d 2U dx 2
0
5
高分子材料性能学
假设试样形变时宏观应变
l
l0
l0
等于微观应变
x hp
第4章 高分子材料的强度
高分子材料性能学
本章主要内容
1 高分子材料强度的微观理论和理论强度 2 高聚物的主要力学强度 3 高聚物强度的影响因素 4 高分子材料的增强改性 5 高分子材料抗冲击强度和增韧改性
2
高分子材料性能学
重点难点： ➢高分子材料强度的微观理论（计算公式） ➢高聚物强度的影响因素 ➢高分子材料抗冲击强度的测试原理与方法 ➢高分子材料的增强与增韧改性
分离的异物
微空洞 填料粒子 结晶区域 （相容性差）
微区 边界
层间区 （无定型区）
可能导致聚合物强度下降的微观结构细节示意图
20
高分子材料性能学
4.3 高聚物的主要力学强度
张应力 拉伸强度
拉伸模量
高聚物的 力学强度
弯曲力矩
压应力 循环应力
冲击
抗弯强度
抗压强度 疲劳强度 冲击强度
弯曲模量
21
高分子材料性能学
b 值也增大。
12
高分子材料性能学
Taylor-Darin提出，拉伸断裂的临界应力取决于受 力方向取向的有效网链数
b Kveo
o 为取向因子，表示与伸长轴呈有效角度
以内的取向网链的比例
5
4
测定 理论
(MPa) b
3
wo 1
1
(1
2 3 b
)
1 2
2
1
0
0
1
9
高分子材料性能学
ln t f 常数 U ab c / RT
从 ln t f 对1/T和
c 对 ln t f
作图得到的直线的斜率 和截距可以计算
和 U ab
10
3. Flory分子网络理论
高分子材料性能学
ve
v
2
Mn
Mc
1
2M c Mn
聚双乙炔单晶纤维
E(MPa) σth（MPa）
3000 ～2000 3500 6000 60,000
300 ～200 350 600 6000
σb(MPa)
50 20 70 500 2000
7
高分子材料性能学
2. 动力学理论（Zhurkov理论） 主价键从完整态A转变到断裂状态B是一个活化过程， 可用化学动力学方法处理，建立强度的动力学理论。
28
高分子材料性能学
表4-5 聚丙烯拉伸性能与球晶尺寸的关系
m 球晶尺寸 / 拉伸强度 / 断裂伸长率 /
MPa
％
均匀小球晶
10
30.0
500
100
22.5
25
大球晶
200
12.5
25
0 100 200 300 400 500 /%
29
4 交联
高分子材料性能学
➢交联可以提高材料抗蠕变能力，提高断裂强度。
11
高分子材料性能学
橡胶试样拉伸断裂的临界应力 ( b )
b
Mc
1
2M c Mn
b
RT
Mc
1
2M c Mn
b
b 2
Mn
值愈大,单位体积内的自由链端数 ( 2
Mn
)
值愈小，
b 增大；
1
交联密度
() Mc
值增大，承受应力的有效网链数增加，
高分子材料性能学
尼龙610，60MPa
b.引入芳杂环
尼龙66，80MPa
80~120MPa
聚间苯二酰间苯二胺 39
（2）. 链段交联
➢适度交联强度增加； ➢过度交联将使材料变脆弱
高分子材料性能学
橡胶的拉伸强度与交联剂用量的关系
40
高分子材料性能学
3）. 结晶度和取向 ➢提高结晶度，材料强度提高 ➢加入成核剂，生成微晶能使材料的强度和韧性 得到提高 ➢取向使力学性能产生各向异性， 在取向方向得到增强
17
高分子材料性能学
3. 断裂需要克服的是断面部分的分子间力， 氢键：20KJ/mol，作用范围0.3nm，破坏一个氢键需要 110-10N，范德华力8KJ/mol，作用范围0.4nm，破坏一对 范德华力需要3 10-10N，假设每0.25nm2有一个氢键或范 德华键，拉伸强度为4 108Pa，1.2 108Pa。
E 13.3 2
26
高分子材料性能学
2 分子量
➢分子量是对高分子材料力学性能（包括强度、弹性、韧性） 起决定性作用的结构参数。 ➢不同聚合物，要求的最小聚合度不同 ➢超过最小聚合度，随分子量 增大，材料强度逐步增大。但 当分子量相当大，材料强度主 要取决于化学键能的大小，不 再依赖分子量而变化。
E
Ex hp
理论强度
1/ 2
th
EG0 2hp
大多数固体材料的理论E间的关系：
th
E 10
？ 各向同性高聚物，
σb约为E/50~E/100
6
高分子材料性能学
表 4-1 实际拉伸强度与理论强度的比较
材料
典型玻璃态高聚物PMMA 典型结晶高聚物如HDPE 热固性高聚物如环氧树脂 取向高聚物纤维如尼龙6
18
高分子材料性能学
在断裂时三种方式兼而有之，通常聚合物理论断裂强 度在几千MPa，而实际只有几十MPa 。
PA, 60 MPa PPO, 70 MPa
exp eriment
(1 100
~
1 )
1000
theory
？
样条存在缺陷
理论值与实验结果相差
原因
应力集中
19
高分子材料性能学
链末端 链缠结 次价键 交联点 片晶内缺陷
b
y
TT b1 b2
T
33
高分子材料性能学
7 应力集中物
➢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 ➢纤维直径减小有利于减小纤维表里的差别，降低缺陷 出现的概率。 ➢锐口的小裂缝甚至比钝口的较大缺陷造成更大的应力 集中
➢适度交联强度增加； ➢过度交联将使材料变脆弱
橡胶的拉伸强度与交联剂用量的关系
30
高分子材料性能学
5 取向
➢取向使力学性能产生各向异性，在取向方向得到增强 ➢ 对于脆性材料，平行于取向方向的强度、模量和伸长 率提高，垂直于取向方向的强度和伸长率降低。 ➢ 对于塑性、易结晶材料，在平行于取向方向的强度、 模量提高，在垂直于取向方向的强度下降，伸长率增大。
8
高分子材料性能学
当应力增大到临界值 c ，使
U f
U 'a
U
' b
0
且链断裂速率超过逆向（键再生）速率，主价键断裂。
据化学反应动力学理论，键断裂频率（ν）为
0 exp U ab c / RT
试样实现破裂的时间 (t f ) t f 1/ v
t f t0 exp U ab c / RT
2
3
4
5
1/M /(103) (g/mol) c
13
高分子材料性能学
4.2 高聚物的理论强度
➢高分子抵抗断裂的能力称为高分子的强度。 ➢高分子材料的破坏可能是高分子主链的化学键 断裂或是高分子分子间滑脱或分子链间相互作用 力的破坏。 ➢从分子水平上看，高分子的断裂要破坏分子 内的化学键和分子间的范德华力与氢键。
24
高分子材料性能学
4.4 影响高聚物强度的因素
凡是有利于提高材料的弹性模量、有利于增加断 裂过程的表面功和增加分子稳定性的因素，都使材 料的强度提高； 凡是使材料形成弱点而增加应力分布的不均匀性 的因素，都使材料的强度下降。
25
高分子材料性能学
1 化学结构 材料的强度取决于主价键和次价键，因此高分子 材料的化学结构是影响其强度的根本因素。 主链含有芳杂环的高聚物，其强度和模量都比脂 肪族主链高 增加取代基的极性或产生氢键可使强度提高，极 性基团或氢键的密度愈大，强度愈高。
37
高分子材料性能学
4.5 高分子材料的增强改性
1 高分子材料的强化原理
（1）在大分子链中引入极性基团或能形成氢键的基团 （2）对高聚物链段进行适度的交联，可以提高强度 （3）提高高聚物的结晶度；加入成核剂形成微晶；取向 （4）定向聚合制备结构规整均一的高聚物，提高结构的 均一性
38
（1）. 引入极性基 a.增加高分子极性或产生氢键
36
高分子材料性能学
表4-8 CaCO3对软PVC的影响
填充系数 拉伸强度/MPa 断裂伸长率/% 杨氏模量/Mpa
（以塑料为100）
0
19.1
380
10.24
5
19.5
365
10.38
10
20.0
335
10.48
25
19.5
375
11.52
50
17.0