材料科学基础第2节高聚物的力学性能
合集下载
《高分子物理》第七章-聚合物的力学性能
热力学分析得到的一条重要的结论： 弹性力主要来自熵的贡献， 故称橡胶弹性——熵弹性。
四、交联橡胶的统计理论
橡胶不交联，几乎没有使用价值，因此研究交联橡胶的高 弹形变具有重要的实际意义。
统计理论讨论的是橡胶弹性问题的核心——形变过程 中突出的熵效应，而忽略内能的贡献
定义两个有用的概念： 网链——已交联的分子链（交联点间的分子链） 网络——许多网链结合在一起，形成的结构
A. 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。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）
粘性：在外力作用下，分子与分子之间发生位移，理想的粘性流体其流 动形变可用牛顿定律来描述：应力与应变速率成正比
普弹性：大应力作用下，只产生小的、线性可逆形变，它是由化学键的 键长，键角变化引起的。与材料的内能变化有关：形变时内能增加，形 变恢复时，放出能量，对外做功（玻璃态，晶态，高聚物，金属，陶瓷 均有这种性能），普弹性又称能弹性
量 泊淞比：
G＝ s F r A0tg
m m l l
横向单向单位宽度的 纵向单位宽度的增加
柔 拉伸柔量： 切变柔量：
量
D 1
E
J1 G
机械 强度
体积模量：
B P PV0 V
可压缩度：
1 B
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：
四、交联橡胶的统计理论
橡胶不交联，几乎没有使用价值，因此研究交联橡胶的高 弹形变具有重要的实际意义。
统计理论讨论的是橡胶弹性问题的核心——形变过程 中突出的熵效应，而忽略内能的贡献
定义两个有用的概念： 网链——已交联的分子链（交联点间的分子链） 网络——许多网链结合在一起，形成的结构
A. 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。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）
粘性：在外力作用下，分子与分子之间发生位移，理想的粘性流体其流 动形变可用牛顿定律来描述：应力与应变速率成正比
普弹性：大应力作用下，只产生小的、线性可逆形变，它是由化学键的 键长，键角变化引起的。与材料的内能变化有关：形变时内能增加，形 变恢复时，放出能量，对外做功（玻璃态，晶态，高聚物，金属，陶瓷 均有这种性能），普弹性又称能弹性
量 泊淞比：
G＝ s F r A0tg
m m l l
横向单向单位宽度的 纵向单位宽度的增加
柔 拉伸柔量： 切变柔量：
量
D 1
E
J1 G
机械 强度
体积模量：
B P PV0 V
可压缩度：
1 B
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：
高聚物的分子运动与力学状态
。
使用价值——是高聚物材料成型加工不能超过的温度。
5）脆化温度
定义——指高聚物材料在受强外力作用时，从韧性断裂转变为脆性断裂时的
温度。
使用价值——是塑料、纤维的最低使用温度。
2 . 晶态高聚物
皮革态
在轻度结晶的聚合物中，少量的晶区起类似交联点
的作用，当温度升高时，其中非晶区由玻璃态转变为高
弹态，可以观察到Tg的存在，但晶区的链段由于受晶格
生急剧变化；
4）应用——
塑料（Tg在室温以上）： Tg为使用上限和耐热指标；
橡胶（Tg在室温以上）： Tg为使用下限和耐寒指标。
V: Volume
H: Enthalpy
G’: Storage shear modulus
α: Volume coefficient of expansion
运动十分缓慢，体积松弛和构象重排在实验的时间标尺内不可能实现
，体系很难达到真正的热力学平衡状态，因而出现CP、 α和K的不连续
变化，而其体积、焓及熵连续变化，这些现象恰好与二级转变相似。
dF=-SdT+VdP
• 一级转变——以温度和压力作为变量，与自由能的一阶偏导数有关的
性质如体积、焓及熵在此过程中发生突变，这类相转变称为一级转变.
• 1 . 线形非晶态高聚物
• 2 . 晶态高聚物
• 3 . 交联高聚物
当温度在一定范围内变化时，大分子具有不同
的运动状态，高聚物宏观表现出不同的力学状态。
在恒定应力下，高聚物的温度-形变之间的关系
（温度-形变曲线）可反映出分子运动与温度变化的
关系。不同结构高聚物温度-形变曲线不同。
1 . 线形非晶态高聚物
低温度。
使用价值——是高聚物材料成型加工不能超过的温度。
5）脆化温度
定义——指高聚物材料在受强外力作用时，从韧性断裂转变为脆性断裂时的
温度。
使用价值——是塑料、纤维的最低使用温度。
2 . 晶态高聚物
皮革态
在轻度结晶的聚合物中，少量的晶区起类似交联点
的作用，当温度升高时，其中非晶区由玻璃态转变为高
弹态，可以观察到Tg的存在，但晶区的链段由于受晶格
生急剧变化；
4）应用——
塑料（Tg在室温以上）： Tg为使用上限和耐热指标；
橡胶（Tg在室温以上）： Tg为使用下限和耐寒指标。
V: Volume
H: Enthalpy
G’: Storage shear modulus
α: Volume coefficient of expansion
运动十分缓慢，体积松弛和构象重排在实验的时间标尺内不可能实现
，体系很难达到真正的热力学平衡状态，因而出现CP、 α和K的不连续
变化，而其体积、焓及熵连续变化，这些现象恰好与二级转变相似。
dF=-SdT+VdP
• 一级转变——以温度和压力作为变量，与自由能的一阶偏导数有关的
性质如体积、焓及熵在此过程中发生突变，这类相转变称为一级转变.
• 1 . 线形非晶态高聚物
• 2 . 晶态高聚物
• 3 . 交联高聚物
当温度在一定范围内变化时，大分子具有不同
的运动状态，高聚物宏观表现出不同的力学状态。
在恒定应力下，高聚物的温度-形变之间的关系
（温度-形变曲线）可反映出分子运动与温度变化的
关系。不同结构高聚物温度-形变曲线不同。
1 . 线形非晶态高聚物
低温度。
药用高分子材料第二章-高分子材料的性能
玻 璃 形态 变I
高弹态
II
粘流态
III
温度
高聚物的力学三态
玻璃态、高弹态和粘流态称为聚合物的力学 三态。
由玻璃态向高弹态发生突变的区域叫玻璃化转 变区, 玻璃态开始向高弹态转变的温度称为玻 璃化转变温度, 以Tg表示。
高弹态开始向粘流态转变的温度称为粘流温度, 以Tf表示, 其间的形变突变区域称为粘弹态转 变区。
牛顿型流体 流体
非牛顿型流体
高聚物熔体 触变性流体 流体 震凝性流体
假塑性流体 胀塑性流体 宾汉塑型流体
黏度 时间
高分子的黏性流动
类型
剪切特点 参数值 实例
牛顿流体
水
假塑性流体 k n n<1 高聚物熔体
胀塑性流体 k n n>1 聚合胶乳
宾汉塑性流体 a k a>0 油漆、沥青
半衰期，s
正电荷 负电荷
0.1 0.3 0.66 1.5 2.5 3.6 41 667 936 8470
0.24 0.3 0.48 0.96 1.55 4.8 15.8 687 720 3770
聚聚聚聚 聚聚 氯 聚 聚 聚聚维聚 醋 纤聚
热导率
0.329 0.172 0.130 0.142 0.168 0.193
高聚物
PETP 聚氨酯
PC EP
热导率
0.218 0.147 0.193 0.180
其它物质
铜 铝 软钢 玻璃 木材 石墨
热导率
385 240 50 0.9 0.384 139
热性能
3.热膨胀
热膨胀的原因: 原子或分子间的相互作用力随温 度而变化。
电性能
介电性影响因素 (1)分子结构对高聚物介电性的影响 分子极性↑、极性基团密度↑, 介电常数与介电
高分子物理讲义-第三章 高聚物的力学性能
流体静压力提高——E增 增 流体静压力提高 增大——△lB 减 大——σy增大 小 增加流体静压力减少链 σ 段的活动性， 段的活动性，松弛转变温 度提高。 度提高。 在给定温度下增压与给定 压力下降温等效。 压力下降温等效。 流体静压力： 流体静压力：Pa
ε
8
晶态聚合物应力晶态聚合物应力-应变曲线
21
银纹（crazing） 银纹（crazing）
环境银纹——聚合物载环境介质与应力的共同作用形成 聚合物载环境介质与应力的共同作用形成 银纹化的临界应变——随环境介质对聚合物的溶解度的增 随环境介质对聚合物的溶解度的增 加而降低，随溶剂化聚合物的T 的降低而降低。 加而降低，随溶剂化聚合物的 g的降低而降低。
σ真
0
0
λ
0
15
材料的屈服判据
屈服判据（ 组合应力状态下， 屈服判据（yield criterion）——组合应力状态下，材料的屈 ） 组合应力状态下 服条件。 服条件。 3个正应力（σxxσyy σ zz ）， 个切应力（σ xy σ yz σ zx ） 个正应力（ ），3个切应力 个切应力（ 个正应力
在某平面出现屈服行为的临界应力σs与垂直于该平面的正 在某平面出现屈服行为的临界应力 压力σ 成正比： 压力 N成正比： σs =K +µσN µ——内摩擦系数 内摩擦系数
σs随着 N增加而增加 随着σ
17
剪切带的结构形态
剪切滑移变形带（Shear band）——450角，剪切应力 剪切滑移变形带（ ） 起重要作用。 起重要作用。
HBS
HRS
HS
27
聚合物的破坏
聚合物的破坏——高分子主链的化学键断裂，高分子链 高分子主链的化学键断裂， 高分子主链的化学键断裂
ε
8
晶态聚合物应力晶态聚合物应力-应变曲线
21
银纹（crazing） 银纹（crazing）
环境银纹——聚合物载环境介质与应力的共同作用形成 聚合物载环境介质与应力的共同作用形成 银纹化的临界应变——随环境介质对聚合物的溶解度的增 随环境介质对聚合物的溶解度的增 加而降低，随溶剂化聚合物的T 的降低而降低。 加而降低，随溶剂化聚合物的 g的降低而降低。
σ真
0
0
λ
0
15
材料的屈服判据
屈服判据（ 组合应力状态下， 屈服判据（yield criterion）——组合应力状态下，材料的屈 ） 组合应力状态下 服条件。 服条件。 3个正应力（σxxσyy σ zz ）， 个切应力（σ xy σ yz σ zx ） 个正应力（ ），3个切应力 个切应力（ 个正应力
在某平面出现屈服行为的临界应力σs与垂直于该平面的正 在某平面出现屈服行为的临界应力 压力σ 成正比： 压力 N成正比： σs =K +µσN µ——内摩擦系数 内摩擦系数
σs随着 N增加而增加 随着σ
17
剪切带的结构形态
剪切滑移变形带（Shear band）——450角，剪切应力 剪切滑移变形带（ ） 起重要作用。 起重要作用。
HBS
HRS
HS
27
聚合物的破坏
聚合物的破坏——高分子主链的化学键断裂，高分子链 高分子主链的化学键断裂， 高分子主链的化学键断裂
06 2 第六章 力学性能 粘弹性 减震 发泡 110918
1 第六章 高聚物的力学性能 （2） 6.3 高聚物的粘弹性 理想弹性固体 — 理想弹性体应力－应变关系服从胡克定律，即ζ＝G γ。应力与应变成正比，弹性模量G只与材料本质有关，不随时间改变。应变在加力的瞬时达到平衡值，除去应力时，应变瞬时回复。 理想粘性液体 — 其应力－应变行为服从牛顿定律。形变γ随时间线性变化，当除去外力时形变不可回复。 高分子固体的力学行为不服从胡克定律。受力时形变会随时间逐渐发展，因此弹性模量有时间依赖性，而除去外力后，形变是逐渐回复，而且往往残留永久变形，说明在弹性变形中有粘流形变发生。 高分子材料（包括高分子固体，熔体及浓溶液）的力学行为在通常情况下总是或多或少表现为弹性与粘性相结合的特性，而且弹性与粘性的贡献随外力作用的时间而异，这种特性称之为粘弹性。 高聚物的分子链具有多重运动单元和多种运动模式 → 强烈依赖于温度和外力作用的时间 → 同时具备粘性和弹性材料的特征 — 粘弹性。 粘弹性的本质是由于聚合物分子运动具有松弛特性。高聚物的力学性质随时间的变化统称力学松弛。 静态粘弹性：蠕变和应力松弛，在恒定应力或恒定应变作用下的力学松弛，是静态力学松弛过程； 动态粘弹性：在交变的应力、应变作用下发生的滞后现象和力学损耗，则是动态力学松弛。 研究高聚物的力学性质应该同时考虑：应力、应变（包括不可恢复的永久变形、可恢复的弹性形变）、温度、时间（包括应变速率、频率）。 2
6.3.1 静态粘弹性 6.3.1.1 蠕变现象及其回复 蠕变指在一定的温度和较小的恒定应力ζo作用下，材料的形变随时间的增加而逐渐增大的现象。（恒定应力ζo下，ε— t 的关系） （1）蠕变现象及其表征 分子运动机理：在一定的温度（Tg附近）和较小的恒定应力ζo作用下，高聚物的链段缓慢运动（能够运动但受到的内摩擦力也较大），产生永久变形且随时间延长越来越大。 高聚物结构、柔性不同→力学状态、分子运动状态不同→ 蠕变现象差异 蠕变曲线由三部分的叠加：普弹应变、高弹应变、粘流应变 未定形高聚物：ε（t）＝ ε1+ε2+ε3 ＝ ζ0/E1 + ζ0/E2（1-et/η）+ ζ0/η3t 交联橡胶：不发生粘流形变 ε（t）＝ ε1+ε2 ＝ ζ0/E1 + ζ0/E2（1-e-t/η）= ε0 + ε∞（1-e-t/η） 刚性高聚物：常温处于Tg以下（玻璃态或结晶态时）链段运动被冻结 → η很大，ε2 3
高分子科学基础-高分子材料力学性能
3
② 本体压缩/ 膨胀：体积改变、形状不变
围压力 P 压缩应变 ＝ V / V0 本体模量 B ＝ P V0 / V 可压缩度 ：V / PV0
4
③简单拉伸/压缩：纵向伸长、横向收缩
拉伸应力 拉伸应变 杨氏模量 拉伸柔量
小形变
σ= F / A0
ε=L /L0 E = σ/ε D =ε/σ
真实形变
内耗： 顺丁 < 丁苯、丁腈 < 丁基橡胶 22
•内耗与温度的关系 T<<Tg or Tg <<T<Tf ， 内耗都很小 T≈Tg ， 内耗出现极大值
•内耗与外力作用频率的关系
低频or高频时，内耗小
中等频率时，
内耗出现极大值
23
讨论动态粘弹性，应力、应变均为时间函数，弹性模量=?
由于粘弹性材料在交变力作用下，材料的应变变化总落后于应
意义：利用加力时间和温度的对应关系，可将不同温度或不同频率 测定的力学性能进行比较和换算，从而获得某些无法用实验 得到的数据。
时温等效性可借助转换因子αT实现： logαT = –17.44(T–Tg) /(51.6+T–Tg)
27
13
么么么么方面
• Sds绝对是假的
2.橡胶弹性的热力学分析
长度lo的试样，等温时受外力 f 拉伸，伸长 dl dU = dQ－dW
拉伸中体积变化所做的功 PdV
dW
PdV－fdl
拉伸中形状变化所做的功－fdl
又 dQ=TdS, ∴ dU = TdS + fdl －PdV
橡胶在拉伸中体积不变, dV=0; ∴ dU = TdS + fdl
1.形变类型和描述力学行为的基本物理量
② 本体压缩/ 膨胀：体积改变、形状不变
围压力 P 压缩应变 ＝ V / V0 本体模量 B ＝ P V0 / V 可压缩度 ：V / PV0
4
③简单拉伸/压缩：纵向伸长、横向收缩
拉伸应力 拉伸应变 杨氏模量 拉伸柔量
小形变
σ= F / A0
ε=L /L0 E = σ/ε D =ε/σ
真实形变
内耗： 顺丁 < 丁苯、丁腈 < 丁基橡胶 22
•内耗与温度的关系 T<<Tg or Tg <<T<Tf ， 内耗都很小 T≈Tg ， 内耗出现极大值
•内耗与外力作用频率的关系
低频or高频时，内耗小
中等频率时，
内耗出现极大值
23
讨论动态粘弹性，应力、应变均为时间函数，弹性模量=?
由于粘弹性材料在交变力作用下，材料的应变变化总落后于应
意义：利用加力时间和温度的对应关系，可将不同温度或不同频率 测定的力学性能进行比较和换算，从而获得某些无法用实验 得到的数据。
时温等效性可借助转换因子αT实现： logαT = –17.44(T–Tg) /(51.6+T–Tg)
27
13
么么么么方面
• Sds绝对是假的
2.橡胶弹性的热力学分析
长度lo的试样，等温时受外力 f 拉伸，伸长 dl dU = dQ－dW
拉伸中体积变化所做的功 PdV
dW
PdV－fdl
拉伸中形状变化所做的功－fdl
又 dQ=TdS, ∴ dU = TdS + fdl －PdV
橡胶在拉伸中体积不变, dV=0; ∴ dU = TdS + fdl
1.形变类型和描述力学行为的基本物理量
高聚物的力学性能-5.5
强迫高弹形变： 强迫高弹形变： 在温度位于Tg以下几十度的范围内拉伸高聚物试样，试 在温度位于 以下几十度的范围内拉伸高聚物试样， 样在屈服后出现较大的应变; 样在屈服后出现较大的应变 如果在试样断裂前停止拉伸，除去外力， 如果在试样断裂前停止拉伸，除去外力，大形变无法完 全回复； 全回复； 但是如果让试样的温度升到T 附近，则形变又回复了； 但是如果让试样的温度升到 g附近，则形变又回复了； 本质上是一种高弹形变，但表现的形式却有区别； 本质上是一种高弹形变，但表现的形式却有区别； 通常称玻璃态聚合物在大外力作用下发生的大形变为强 通常称玻璃态聚合物在大外力作用下发生的大形变为强 迫高弹形变。 迫高弹形变。
dσ 1 dσ ′ ′ = 0 = 1+ ε ) −σ 2 ( d ε (1 + ε ) dε
得
dσ ′ σ ′ σ ′ = = dε 1 + ε λ
或者
dσ ′ dσ ′ σ ′ = = dε dλ λ
Considere（康西特莱）作图法： （康西特莱）作图法：
σ' σ'y
-1
（5）根据拉伸情况，判断高聚物材料的类型 ）根据拉伸情况， 判断：强与弱、硬与软、韧与脆、 判断：强与弱、硬与软、韧与脆、等 p.267，图5-30 ，
小结： 小结： 强迫高弹性的影响因素 1) 温度 2) 外力的大小 3) 外力作用速率 4) 高聚物结构
高聚物具有可运动的链段
1. 应力-应变曲线 应力 应变曲线 （2）晶态高聚物的拉伸 ）
σ
Y
X
比玻璃态高聚物的拉 伸应力-应变曲线具有 伸应力 应变曲线具有 更为明显的转折
ε
结晶高聚物的应力-应变曲线 结晶高聚物的应力 应变曲线 及试样外形变化示意图
高分子材料的力学性能
力，增加高分子的极性或产生氢键可以提高材料的强度；
（4）交联：适度的交联可以有效地增加分子链之间的联系，限
制分子链间的相对滑移及分子链的活动性，有利于强度的提高；
（交联反应：2个或者更多的分子相互键合交联成网络结构的较稳定分 子的反应。）
高分子材料的力学性能
（5）结晶和取向：结晶和取向可使分子链规整排列，分子间
影响抗拉强度的因素：
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；
凡是使材料应力分布的不均匀性增加的因素， 都使材料的强度下降。
总的来说可以分为两类：一类是与材料本 身结构有关的内因，一类是与材料受力环境有 关的外因。
高分子材料的力学性能
一、内因的影响
4、共聚和共混：
➢通过共聚将两种性质不同的单体经化学键结合， 形成综合两种以上均聚物性能的新材料，提高材料 的抗拉强度。 ➢共混是通过物理方法使两种及以上材料均匀混合 的改性手段，从而提升高聚物的强度。
5、填料：
高分子材料的力学性能
在高聚物中加入固体填料可得到多相复合材料
根据其在复合材料中的使用目的分类： 惰性填料：起填充稀释以降低制品的成本的作用， 材料的强度随之降低
67
聚甲醛
增强
82
未增强
67
尼龙
增强
210
高分子材料的力学性能
二、受力环境的影响：
施力强度的大小 施力速度的快慢 施力时的温度高低
高分子材料的力学性能
长期强度：
在工程地质学上是指使蠕变类型由趋稳蠕变类型转变 为典型蠕变类型的临界应力。（趋稳蠕变又称稳定型蠕变。 岩体在恒定荷载作用下，岩土的变形随时间而增长，但增 长的速率随时间而递减，最后使变形趋于某一稳定值的蠕 变类型。）
（4）交联：适度的交联可以有效地增加分子链之间的联系，限
制分子链间的相对滑移及分子链的活动性，有利于强度的提高；
（交联反应：2个或者更多的分子相互键合交联成网络结构的较稳定分 子的反应。）
高分子材料的力学性能
（5）结晶和取向：结晶和取向可使分子链规整排列，分子间
影响抗拉强度的因素：
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；
凡是使材料应力分布的不均匀性增加的因素， 都使材料的强度下降。
总的来说可以分为两类：一类是与材料本 身结构有关的内因，一类是与材料受力环境有 关的外因。
高分子材料的力学性能
一、内因的影响
4、共聚和共混：
➢通过共聚将两种性质不同的单体经化学键结合， 形成综合两种以上均聚物性能的新材料，提高材料 的抗拉强度。 ➢共混是通过物理方法使两种及以上材料均匀混合 的改性手段，从而提升高聚物的强度。
5、填料：
高分子材料的力学性能
在高聚物中加入固体填料可得到多相复合材料
根据其在复合材料中的使用目的分类： 惰性填料：起填充稀释以降低制品的成本的作用， 材料的强度随之降低
67
聚甲醛
增强
82
未增强
67
尼龙
增强
210
高分子材料的力学性能
二、受力环境的影响：
施力强度的大小 施力速度的快慢 施力时的温度高低
高分子材料的力学性能
长期强度：
在工程地质学上是指使蠕变类型由趋稳蠕变类型转变 为典型蠕变类型的临界应力。（趋稳蠕变又称稳定型蠕变。 岩体在恒定荷载作用下，岩土的变形随时间而增长，但增 长的速率随时间而递减，最后使变形趋于某一稳定值的蠕 变类型。）
高分子材料的力学性能
3、增塑剂：
4、共聚和共混：
高分子材料的力学性能
5、填料： 在高聚物中加入固体填料可得到多相复合材料
固体填料
惰性填料：起填充稀释以降低制品的成本的作用， 材料的强度随之降低
根据其在复合材料中的使用目的分类：
活性填料：有效提高材料的强度
按填料形状分类：
右表为一些热塑性塑料用玻璃纤维增强后其拉伸强度的变化
高分子材料的力学性能
受力环境的影响： 施力强度的大小 施力速度的快慢 施力时的温度高低
01
02
高分子材料的力学性能
长期强度： 在工程地质学上是指使蠕变类型由趋稳蠕变类型转变为典型蠕变类型的临界应力。（趋稳蠕变又称稳定型蠕变。岩体在恒定荷载作用下，岩土的变形随时间而增长，但增长的速率随时间而递减，最后使变形趋于某一稳定值的蠕变类型。） 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。
目录
高聚物的抗拉强度
单击此处添加标题
单击此处添加标题
01
02
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。
厚度d
宽度b
P
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
影响抗拉强度的因素：
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。 缺陷形状不同，应力集中系数也不同，锐口缺陷的应力集中系数比钝口的大，也更易开始发生破坏。 制品设计时尽量避免有尖锐的转角，将制品的转弯处做成圆弧形，制品成型时进行退火处理，保证制品厚度尽可能均匀等措施均能确保制品的强度。
4、共聚和共混：
高分子材料的力学性能
5、填料： 在高聚物中加入固体填料可得到多相复合材料
固体填料
惰性填料：起填充稀释以降低制品的成本的作用， 材料的强度随之降低
根据其在复合材料中的使用目的分类：
活性填料：有效提高材料的强度
按填料形状分类：
右表为一些热塑性塑料用玻璃纤维增强后其拉伸强度的变化
高分子材料的力学性能
受力环境的影响： 施力强度的大小 施力速度的快慢 施力时的温度高低
01
02
高分子材料的力学性能
长期强度： 在工程地质学上是指使蠕变类型由趋稳蠕变类型转变为典型蠕变类型的临界应力。（趋稳蠕变又称稳定型蠕变。岩体在恒定荷载作用下，岩土的变形随时间而增长，但增长的速率随时间而递减，最后使变形趋于某一稳定值的蠕变类型。） 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。
目录
高聚物的抗拉强度
单击此处添加标题
单击此处添加标题
01
02
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。
厚度d
宽度b
P
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
影响抗拉强度的因素：
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。 缺陷形状不同，应力集中系数也不同，锐口缺陷的应力集中系数比钝口的大，也更易开始发生破坏。 制品设计时尽量避免有尖锐的转角，将制品的转弯处做成圆弧形，制品成型时进行退火处理，保证制品厚度尽可能均匀等措施均能确保制品的强度。
力学性能分析
第七章 高聚物的力学性能
第一节 第二节 第三节 第四节 概述 高弹性 粘弹性 极限力学行为（屈服、破坏与 强度）
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
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
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 CH3 丙烯睛—丙烯酸酯胶： CH2 CH CN CH2 CH O CH CH2
RO C
(2)主链上含双键较少的丁基橡胶（异丁 烯与异戊二烯）
(3)主链上含S原子的聚硫橡胶
CH2 CH2 S S S S
第三节 粘弹性
• • • • • • • • •
3-1 3-2 3-3 3-4 3-5 3-6 3-7 3-8 3-9 松弛现象 蠕变 应力松弛 滞后 力学损耗 测定粘弹性的方法 粘弹性模型 粘弹性与时间、温度的关系（时温等效） 波尔兹曼迭加原理
3-1 高聚物的力学松弛现象
• 力学松弛——高聚物的力学性能随时
• 高弹性：小的应力作用下可发生很大
的可逆形变，是由内部构象熵变引起 的，所以也称熵弹性（橡胶具有高弹 性） • 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
g g g g g g
• 注意增塑剂的副作用
它使分子链活动性增加，也为形成 结晶结构创造了条件，所以用增塑 剂降低 T 的同时，也要考虑结晶形 成的可能性。
第一节 第二节 第三节 第四节 概述 高弹性 粘弹性 极限力学行为（屈服、破坏与 强度）
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
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
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 CH3 丙烯睛—丙烯酸酯胶： CH2 CH CN CH2 CH O CH CH2
RO C
(2)主链上含双键较少的丁基橡胶（异丁 烯与异戊二烯）
(3)主链上含S原子的聚硫橡胶
CH2 CH2 S S S S
第三节 粘弹性
• • • • • • • • •
3-1 3-2 3-3 3-4 3-5 3-6 3-7 3-8 3-9 松弛现象 蠕变 应力松弛 滞后 力学损耗 测定粘弹性的方法 粘弹性模型 粘弹性与时间、温度的关系（时温等效） 波尔兹曼迭加原理
3-1 高聚物的力学松弛现象
• 力学松弛——高聚物的力学性能随时
• 高弹性：小的应力作用下可发生很大
的可逆形变，是由内部构象熵变引起 的，所以也称熵弹性（橡胶具有高弹 性） • 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
g g g g g g
• 注意增塑剂的副作用
它使分子链活动性增加，也为形成 结晶结构创造了条件，所以用增塑 剂降低 T 的同时，也要考虑结晶形 成的可能性。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
20
结晶高聚物的熔点与分子链的柔性 和分子间的作用力有关：
分子链越柔，则熔点Tm越低；
分子间相互作用越强，特别是有氢 键作用时，熔点Tm越高。
熔点高于室温的部分结晶高聚物可 用做塑料或纤维，它们的使用温度 上限为Tm。
可编辑ppt
21
可编辑ppt
22
3、交联高聚物的力学状态：
分子链间 的交联限制了 整链运动，所 以不能流动， 即不可能出现 粘流态。
可编辑ppt
5
分子运动的温度依赖性：
温度升高,使分子的内能增加
运动单元做某一模式的运动需要一定的能量, 当 温度升高到运动单元的能量足以克服的能垒时, 这一模式的运动被激发
温度升高使聚合物的体积增加
分子运动需要一定的空间, 当温度升高到使自由 空间达到某种运动模式所需要的尺寸后, 这一运 动就可方便地进行
18
可编辑ppt
19
M不太大时：则晶区熔融（T m ），非晶 区的 Tf Tm，所以试样成为粘流态。
M 足够大时：非晶区的 Tf Tm ，则晶区 虽熔融（T m ），但非晶区试样进入高弹 态再升温到以上才流动。
从加工角度看，这种情况是不希望的
（在高温下出现高弹态将给加工带来麻 烦。
(M代表相对分子质量可编辑)ppt
高聚物分子柔性越大，玻 璃化转变温度越低。 另外，对于相对分子质量 足够高的高聚物，Tg几乎 不依赖于相对分子质量。
可编辑ppt
12
玻璃化转变的现象：
聚合物在玻璃化转变时，很多物理性质 都会出现突变或不连续变化，如：
体积、比容等 热力学性质：比热、导热系数等 力学性能：模量、形变等 电磁性能：介电常数等
具有多种运动单元
如侧基、支链、链段、整个分子链等
可编辑ppt
3
各种运动单元的运动方式：
链段的运动: 主链中碳-碳单键的内旋转, 使得高
分子链有可能在整个分子不动, 即分子链质量中 心不变的情况下, 一部分链段相对于另一部分链 段而运动
侧基的运动: 侧基运动是多种多样的, 如转动,
内旋转, 端基的运动等
E
同样可以分为“三态”“两
区”
Tg
Tf
T
可编辑ppt
9
“三态两区”的特点
玻璃态： 分子链几乎无运动, 聚合物类似玻璃, 通 常为脆性的, 模量为104~1011Pa
玻璃化转变： 整个大分子链还无法运动, 但链段 开始发生运动, 模量下降3~4个数量级, 聚合物行 为与皮革类似
高弹态： 链段运动激化, 但分子链间无滑移. 受力 后能产生可以回复的大形变, 称之为高弹态, 为聚 合物特有的力学状态. 模量进一步降低, 聚合物表 现出橡胶行为
高分子的整体运动: 高分子作为整体呈现质量
中心的移动
晶区内的运动: 晶型转变，晶区缺陷的运动等
可编辑ppt
4
分子运动的时间依赖性：
在一定的温度和外力作用下, 高聚物分子从一种 平衡态过渡到另一种平衡态需要一定的时间; 因 为各种运动单元的运动都需克服内摩擦阻力, 不 可能瞬时完成。
这个过程称为松弛过程，完成这个过程所需要 的时间叫松弛时间。
第2节
高聚物的力学性能
高聚物力学性能的特点是高分子热运动特点的
宏观表现，而高分子的热运动特点又取决于高 分子的结构特点。本章重点讨论高分子结构-分子的热运动--力学性能之间的关系及有关特 征参数的物理意义。
可编辑ppt
1
聚合物分子运动的特点：
分子运动的多样性 (Varieties of molecular movements)
可编辑ppt
13
可编辑ppt
14
Tg的工艺意义:
常温下处于玻璃态的非晶态高聚物可作
为塑料。 Tg是非晶态热塑性塑料使用 温度的上限（最高使用温度）
常温下处于高弹态的非晶态高聚物可作 为橡胶。Tg是非晶性橡胶(如天然橡胶, 丁苯橡胶等)使用温度的下限（最低使 用温度）
可编辑ppt
15
粘流态是高聚物成型中最重要的状 态。
可编辑ppt
23
可编辑ppt
24
可编辑ppt
25
二、高聚物的高弹性与流变性
１、高弹性：
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
分子运动与时间有关 (The relationship with time) 分子运动与温度有关 (The relationship with
temperature)
可编辑ppt
2
分子运动的多样性：
具有多种运动模式
由于高分子的长链结构，分子量不仅高，还具有 多分散性，此外，它还可以带有不同的侧基，加 上支化，交联，结晶，取向，共聚等，使得高分 子的运动单元具有多重性，或者说高聚物的分子 运动有多重模式
非晶态高聚物利用粘流态进行加工 成型（注射成型、挤出成型和吹塑
成型等）时，加工温度一般在Tf ~ Td(高聚物的分解温度)。
非晶态高聚物的粘流温度Tf 随相对 分子质量的增加而提高。
注意：以上讨论对支化高聚物同样 适用。
可编辑ppt
16
２、部分结晶高聚物的力学状态：
可编辑ppt
17
可编辑ppt
形变
非 晶 态 聚
玻 璃 态
高弹态
粘
橡胶态
流
态
合
物
温度
T Tg
Tf
g
–
glass
transition
temperature
可编辑ppt
玻璃化转变温度
8
Tf – viscosity flow temperature 粘流温度
The relationship between modulus and temperature 模量与温度的关系
可编辑ppt
6
一、 聚合物的力学状态
高分子不同的运动机制在宏观上表现为不同 的力学状态：
1、线形非晶态高聚物的力学状态：
将一块线形非晶态聚合物试样, 在恒应力作用 下等速升温, 观察聚合物的形变与温度的关系, 所得曲线称为温度形变曲线或热机械曲线可编辑ppt来自7温度形变曲线
玻璃化转变区域
粘流转变区域
可编辑ppt
10
“三态两区”的特点
粘流转变: 分子链重心开始出现相对位移. 模 量再次急速下降. 聚合物既呈现橡胶弹性, 又 呈现流动性. 对应的转温度Tf称为粘流温度
粘流态：大分子链受外力作用时发生位移, 且 无法回复。行为与小分子液体类似
可编辑ppt
11
Tg的学术意义:
聚合物分子链柔性 表征高聚物的特征指标